Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία

Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία της Μακρυγιώργου Δέσποινας του Ιωάννη Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Μητρώου: 1012107 Θέμα: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΣTOΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΓΙΑ ΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ" Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αριθμός Διατριβής: 1012107 Πάτρα, 21/10/2015

Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Δέσποινα Μακρυγιώργου 2015 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τη Μακρυγιώργου Δέσποινα, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από την ίδια, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: "ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΓΙΑ ΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ" της κας Μακρυγιώργου Δέσποινας του Ιωάννη, Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 21/10/2015 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Α. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Ν. Βοβός, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Ε. Πυργιώτη, Επ. Καθηγήτρια Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 21/10/2015 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ν. Βοβός 3

4

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στα πλαίσια εκπόνησης της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, τον κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την ανάθεση της, τον κ. Νικόλαο Βοβό και την κα. Ελευθερία Πυργιώτη. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω και στους υποψήφιους διδάκτορες του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης ηλεκτρικής ενέργειας του τμήματος. Τέλος, θα ήθελα ευχαριστήσω την οικογένεια μου, στην οποία αφιερώνεται η εργασία αυτή. 5

6

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί η εφαρμογή ελέγχου άεργου ισχύος σε αντιστροφείς μικροδικτύου για στήριξη της τάσης. Κάτι τέτοιο είναι εφικτό μέσω των βρόχων ελέγχου στατισμού (droop control) και συγκεκριμένα μέσω του βρόχου ελέγχου Q - V. Μέσω του βρόχου ελέγχου P - f επιτυγχάνεται με ιδιαίτερα σημαντική ακρίβεια ο καταμερισμός της ενεργού ισχύος στους αντιστροφείς των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής μικροδικτύου. Αρχικά, αναλύονται οι έννοιες της κατανεμημένης (διεσπαρμένης) παραγωγής και του μικροδικτύου. Ακόμη, παρουσιάζεται λεπτομέρως η βασική δομή του μικροδικτύου κι η λειτουργία του μικροδικτύου σε διασυνδεδεμένη στο δίκτυο λειτουργία ή σε αυτόνομη λειτουργία, ο έλεγχος κι η διαχείριση ενέργειας του μικροδικτύου κι ο ρόλος των συστημάτων προστασίας του μικροδικτύου. Στη συνέχεια, ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στους αντιστροφείς τάσης και στην τεχνική ημιτονοειδούς PWM (SPWM) για την παλμοδότηση των τριφασικών μετατροπέων ισχύος. Τόσο στην περίπτωση της διασυνδεδεμένης λειτουργίας, όσο και στην περίπτωση της αυτόνομης λειτουργίας, απαιτείται έλεγχος του αντιστροφέα στο dq πλαίσιο αναφοράς. Επίσης, αναλύεται η ευρέως διαδεδομένη τεχνική ελέγχου στατισμού (droop control). Έπειτα, με βάση όλα τα παραπάνω προχωρούμε στην μοντελοποίηση του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος βρόχου ελέγχου του μικροδικτύου. Αρχικά, θεωρούμε το σύστημα ενός αντιστροφέα συνδεδεμένου σε ζυγό. Στην αυτόνομη λειτουργία ο αντιστροφέας ελέγχεται μέσω τεχνικών στατισμού (droop control), καθώς και μέσω ελεγκτών ρεύματος και τάσης Ακολούθως, θεωρούμε το σύστημα ενός μικροδικτύου δύο πηγών κατανεμημένης παραγωγής κι ουσιαστικά δύο αντιστροφέων συνδεδεμένων διαμέσου διασυνδετικής γραμμής. Τέλος, το σύστημα του απομονωμένου αντιστροφέα, καθώς και το σύστημα δύο αντιστροφέων συνδεδεμένων προσομοιώνονται με τη βοήθεια του Matlab/Simulink. Η εφαρμογή του σχήματος τοπικού ελέγχου σε κάθε αντιστροφέα οδηγεί σε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα αφενός ως προς τις τελικές τιμές των μεταβλητών κατάστασης κι αφετέρου ως προς τη δυναμική απόκριση του ελέγχου στις μεταβολές στις οποίες υποβάλλεται το σύστημα. Συνοψίζοντας, καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως η ενεργός ισχύς ισομερίζεται στους δύο αντιστροφείς του μικροδικτύου κι επιπλέον ότι επιτυγχάνεται η στήριξη της τάσης στα φορτία του μικροδικτύου σε καθεμία από τις περιπτώσεις που προσομοιώθηκαν. 7

8

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 11 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 11 1.2 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 12 1.3 ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 19 1.4 ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 21 1.5 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (AC AND DC MICROGRIDS)... 23 1.6 ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 25 1.6.1 ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΜΙΚΡΟΠΗΓΗΣ... 29 1.6.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Ή ΚΕΝΤΡΙΚΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ... 30 1.7 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 30 1.8 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ - ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΚΙ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 37 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 37 2.2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ... 38 2.2.1 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ... 38 2.3 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕ ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ (SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION - SPWM)... 41 2.4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΣΤΟ ΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ d-q... 44 2.5 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 49 2.6 ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP CONTROL)... 49 2.6.1ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (AC MICROGRID)... 51 2.6.2 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (DC MICROGRID)... 53 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΜΙΚΡΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΜΕ ΔΙΕΠΑΦΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP) ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 57 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 57 3.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 57 3.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΠΗΓΗΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ... 59 3.4 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ... 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP) ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ - ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP) ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 69 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 69 4.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΟ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΤΟΥ... 70 4.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΜΕ ΤΥΧΑΙΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΤΟΥΣ - ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 75 4.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΜΕ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΤΟΥΣ - ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 85 4.5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΜΕ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΤΟΥΣ KAI ΣΤΗΝ ΤΑΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ ΤΟΥΣ - ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 107 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γεγονός αποτελεί η αλλαγή στο σκηνικό της παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία οφείλεται σε οικονομικούς, τεχνολογικούς και περιβαλλοντικούς λόγους. Η κλιματική αλλαγή οδήγησε πολλές χώρες στην υιοθέτηση του στόχου μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου κατά 20% μέχρι το τέλος του 2020. Οι παραδοσιακές κεντρικοποιημένες μονάδες παραγωγής δίνουν τη σκυτάλη σε μικρότερες και περισσότερο διεσπαρμένες (ή κατανεμημένες) παραγωγές (Dispersed Power Generation Systems (DG)). Η κατανεμημένη παραγωγή περιλαμβάνει μια ευρεία γκάμα τεχνολογιών. Μικροτουρμπίνες, φωτοβολταϊκά, κυψέλες καυσίμου, ανεμογεννήτριες και μηχανές αερίου εσωτερικής καύσης με γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη αποτελούν τις τεχνολογίες που πρωτοστατούν, χρησιμοποιώντας αντιστροφείς ως διεπαφή με το ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Η ενσωμάτωσή τους στο δίκτυο διανομής διαταράσσει την ακτινική φύση της ροής ισχύος διαμέσου των τροφοδοτών διανομής. Η διασύνδεση της κατανεμημένης παραγωγής με το κυρίως δίκτυο διαμέσου των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος χρίζει ιδιαίτερης προσοχής σε θέματα ασφάλειας και προστασίας. Η ισχύουσα προσέγγιση της απομόνωσης όλων των καταναμημένων παραγωγών από το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος (αντινησιδοποίηση (anti-islanding)) είναι επαρκής μόνο στην περίπτωση συνολικής χαμηλής διείσδυσης μικροπαραγωγών, χωρίς σημαντική επίδραση για το δίκτυο. Ωστόσο, το ποσοστό διείσδυσης κατανεμημένων παραγωγών αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά τις επόμενες δεκαετίες κι αν κανείς συνυπολογίσει τον αριθμό των υβριβικών ηλεκτρικών οχημάτων που θα ενσωματόνται στο δίκτυο (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) μπορεί να αντιληφθεί την αλλαγή που απαιτείται στις τεχνικές ροής ισχύος στο δίκτυο διανομής. Στο πλαίσιο αυτό, δημιουργήθηκε η ιδέα του μικροδικτύου ως ένα ελεγχόμενο κομμάτι του κυρίως δικτύου με στόχο την αδιάλειπτη παροχή ισχύος. 11

Εικόνα 1.1: Μικροδίκτυο, η νέα φιλοσοφία για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας [1.12] 1.2 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΓΙΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Κύριος στόχος των μικροδικτύων είναι ο συνδυασμός όλων των πλεονεκτημάτων που συνεπάγεται η χρήση των ανανεώσιμων/μη συμβατικών πηγών ενέργειας και της υψηλής απόδοσης των συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (Combined Heat and Power (CHP) systems). Με αυτόν τον τρόπο, τα συστήματα κατανεμημένης ή διεσπαρμένης παραγωγής βασιζόμενα σε CHP συστήματα διευκολύνουν την υψηλής ενεργειακής απόδοσης παραγωγή ενέργειας, αξιοποιώντας την αποβαλλόμενη θερμότητα, ενώ τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) παράγουν καθαρή ενέργεια χωρίς να ρυπαίνουν το περιβάλλον. Η επιλογή της εκάστοτε μονάδας παραγωγής εξαρτάται από το κλίμα και την μορφολογία της περιοχής, καθώς και από την διαθεσιμότητα καυσίμου. Τα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής είναι είτε μίκρο (micro)-chp συστήματα, κυψέλες καυσίμου, είτε συστήματα ΑΠΕ, όπως φωτοβολταϊκά συστήματα, συστήματα μετατροπής της αιολικής ενέργειας και μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή. 1) Micro-CHP συστήματα Τα micro-chp συστήματα διαφέρουν από τα μεγάλα CHP συστήματα όχι μόνο στην παραγόμενη ισχύ (χρησιμοποιούνται σε σπίτια ή μικρά εμπορικά κτίρια), αλλά και στις μεθόδους παροχής της μηχανικής ισχύος. Τα περισσότερα μεγάλα CHP συστήματα παράγουν πρωταρχικά ηλεκτρισμό και δευτερευόντως θερμότητα. Τα micro-chp συστήματα λειτουργούν κυρίως για παραγωγή θερμότητας κι ο ηλεκτρισμός είναι υποπροϊόν. Έτσι η ενεργειακή παραγωγή των micro-chp συστημάτων οδηγείται κυρίως από τις θερμικές απαιτήσεις των καταναλωτών. Τα micro-chp συστήματα είναι αξιόπιστα, στιβαρά, φθηνά και μπορούν να λειτουργήσουν με καύσιμα όπως φυσικό αέριο, βιοκαύσιμο, προπάνιο ή υγρό καύσιμο κι έχουν καθαρή καύση με λίγα σωματίδια. Τα 12

μικροδίκτυα εξασφαλίζουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα με τη χρήση micro-chp συστημάτων: την τοποθέτηση των micro-chp συστημάτων κοντά στα θερμικά φορτία, για την πλήρη αξιοποίηση της παραγόμενης θερμότητας Την ευελιξία των micro-chp συστημάτων για τη βέλτιστη τροφοδοσία πολλών μικρών θερμικών κι ηλεκτρικών φορτίων. Εικόνα 1.2: micro-chp σύστημα [1.17] Οι κύριες τεχνολογίες παραγωγής μηχανικής ισχύος στις οποίες βασίζονται τα micro-chp συστήματα είναι: Μηχανές εσωτερικής καύσης Μικροστρόβιλοι (Microturbines) Κυψέλες καυσίμου Μηχανές εσωτερικής καύσης Στις μηχανές εσωτερικής καύσης, το καύσιμο καίγεται σε θάλαμο ανάφλεξης, μέσα στη μηχανή. Η ανάφλεξη παράγει υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης αέρια, τα οποία εκτονώνονται και δρουν πάνω σε κινούμενα μέρη, όπως πιστόνια ή δρομείς. Τα κυριότερα καύσιμα που χρησιμοποιούνται είναι τα: ντίζελ, βενζίνη, προπάνιο, φυσικό αέριο, βιοκαύσιμα κ.α. Μικροστρόβιλοι Οι μικροστρόβιλοι (microturbines) είναι ευρέως διαδεδομένοι σε συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής και CHP συστήματα. Είναι μικροί κι απλού κύκλου αεριοστρόβιλοι, με εύρος ισχύος 25-300 kw. Για τη βελτίωση της απόδοσής τους χρησιμοποιούν τεχνικές ανάκτησης θερμότητας (χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας), εξελιγμένα υλικά (όπως κεραμικά για τις περιοχές υψηλής θερμοκρασίας) κι έχουν χαμηλές εκπομπές NOx. 13

Τα κύρια χαρακτηριστικά των μικροστρόβιλων είναι: μικρότερο μέγεθος σε σχέση με λοιπά συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής ενεργειακή απόδοση της τάξης του 80%, σε CHP εφαρμογές χαμηλές εκπομπές NOx διάρκεια ζωής πάνω από 45000 ώρες κόστος εξοπλισμού και λειτουργίας συγκρίσιμο με ανανεώσιμες πηγές ευελιξία στο είδος καυσίμου (ντίζελ, φυσικό αέριο, κτλ) χαμηλά επίπεδα θορύβου (65 db) και δονήσεων απλή διαδικασία εγκατάστασης Οι περισσότεροι μικροστρόβιλοι χρησιμοποιούν σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)) ή ασύγχρονες επαγωγικές γεννήτριες για την παραγωγή ισχύος. Κυψέλες καυσίμου Μία κυψέλη καυσίμου μετατρέπει τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι συσκευές ηλεκτροχημικής μετατροπής, που παράγουν ηλεκτρισμό απευθείας μέσω ηλεκτροχημικής οξείδωσης στα ηλεκτρόδια κι απόδοση 40-80% (με τεχνικές ανάκτησης θερμότητας). Κατάλληλες για εφαρμογή σε αυτοκίνητα είναι αυτές που χρησιμοποιούν Μεμβράνη Ανταλλαγής Πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) κι έχουν θερμοκρασία λειτουργίας 80 ο C. Αποτελούνται από δύο πορώδη ηλεκτρόδια, που διαχωρίζονται από μια πολυμερή μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Η μεμβράνη επιτρέπει τη δίοδο πρωτονίων υδρογόνου (Η+), αλλά εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων κι αερίων. Το καύσιμο (υδρογόνο) ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του ηλεκτροδίου ανόδου, ενώ το οξυγόνο ή ο αέρας ρέουν κατά μήκος του ηλεκτροδίου καθόδου, όπου παράγεται νερό και θερμότητα. Ο καταλύτης βοηθάει τη διάσπαση υδρογόνου σε πρωτόνια κι ηλεκτρόνια. Εικόνα 1.3: Κυψέλες καυσίμου [1.13] 14

Η αναμόρφωση με ατμό υγρών υδρογονανθράκων σε αναμορφωτές (reformers) είναι ένας δυναμικός τρόπος δημιουργίας καυσίμου πλούσιου σε υδρογόνο για κυψέλες καυσίμου, που όμως περιέχει και μικρές ποσότητες CO. Αυτή η μέθοδος προτιμάται γιατί η αποθήκευση υδρογόνου είναι επικίνδυνη και δαπανηρή. Η αναμόρφωση υδρογονανθράκων εξασφαλίζει το απαραίτητο υδρογόνο αποφεύγοντας τη χρήση μεγάλων ντεπόζιτων με υδρογόνο μεγάλης πίεσης ή τη χρήση αυτοκινήτων για τη διανομή του υδρογόνου. Πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου αποτελούν: χαμηλότερες εκπομπές CO2 και NOx ανά KW παραγόμενης ισχύος απουσία κινούμενων μερών που οδηγεί σε στιβαρή κατασκευή, χαμηλή συντήρηση, έλλειψη δονήσεων και θορύβου. ευελιξία στην επιλογή καυσίμου (φυσικό αέριο, προπάνιο, αέριο χωματερών, αέριο από δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης ιλύος, ντίζελ, νάφθα, μεθανόλη, υδρογόνο). Κάποια προβλήματα σχετικά με τη χρήση των κυψελών καυσίμου είναι τα εξής: οι υγροί υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή υδρογόνου μπορεί να μην είναι διαθέσιμοι σε ποσότητες επαρκείς για συνεχή παραγωγή υδρογόνου. έχουν υψηλό χρόνο εκκίνησης κι απαιτούν ακριβά υλικά, ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Περιλαμβάνουν πολύ ακριβούς καταλύτες, των οποίων οι ιδιότητες μπορεί να αλλοιωθούν από τις θειικές ενώσεις του καυσίμου. το παραγόμενο CO μπορεί να μειώσει την απόδοση της μεμβράνης της κυψέλης καυσίμου. η θερμοδυναμική απόδοση (70-85%) της αντίδρασης εξαρτάται από την καθαρότητα του υδρογόνου. Υπάρχουν τέσσερεις κύριοι τύποι κυψελών καυσίμου: 1) κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), με θερμοκρασία λειτουργίας 80 ο C. 2) κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)), με θερμοκρασία λειτουργίας 200 o C. 3) κυψέλη καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)), με θερμοκρασία λειτουργίας 650 ο C. 4) κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)), θερμοκρασία λειτουργίας 1000 o C. 2) Συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας - Ανεμογεννήτριες Τα συστήματα αυτά μετατρέπουν την αιολική σε ηλεκτρική ενέργεια. Το κύριο τμήμα τους είναι ο δρομέας, ο οποίος συνδέεται με την ηλεκτρική γεννήτρια μέσω κιβωτίου ταχυτήτων πολλών σχέσεων. Τα κύρια στοιχεία μιας ανεμογεννήτριας (Α/Γ) είναι ο πύργος στήριξης, ο 15

δρομέας κι η άτρακτος. Στην άτρακτο βρίσκονται η γεννήτρια κι ο μηχανισμός μετάδοσης της κίνησης. Ο δρομέας μπορεί να έχει δύο ή περισσότερα πτερύγια. Η ανεμογεννήτρια αιχμαλωτίζει την κινητική ενέργεια από την ροή του ανέμου μέσω των πτερυγίων και τη μεταφέρει στην επαγωγική γεννήτρια μέσω του κιβωτίου ταχυτήτων, όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Το κιβώτιο ταχυτήτων μετατρέπει τη χαμηλή ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων σε υψηλή ταχύτητα περιστροφής του άξονα της γεννήτριας. Η συχνότητα κι η τάση εξόδου διατηρούνται στα επιθυμητά όρια μέσω τεχνικών μέτρησης, ελέγχου και προστασίας. Περίπου μέχρι το 1995 η μέση εμπορική ισχύς των Α/Γ ήταν 300 KW, αλλά πρόσφατα Α/Γ 6-8 MW έχουν σχεδιαστεί κι εγκατασταθεί. Εικόνα 1.4: Υπεράκτιο αιολικό πάρκο [1.14] Η ισχύς εξόδου των Α/Γ δίνεται από τη σχέση: P = 1 2 C pρv 3 A (1.1) Όπου: P η ισχύς (W) της Α/Γ, C p ο συντελεστής ισχύος, ρ η πυκνότητα του αέρα (kg/m 3 ), V η ταχύτητα του ανέμου (m/s), A το εμβαδόν επιφάνειας σάρωσης των πτερυγίων (m 2 ) της Α/Γ. Ο συντελεστής ισχύος C p έχει μέγιστη πρακτική τιμή περίπου 0.4, δίνει το ποσοστό της ισχύος του ανέμου που εξάγεται από το δρομέα της Α/Γ κι οι τιμές του εξαρτώνται από τη σχεδίαση του δρομέα, από το βήμα πτερυγίων και το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (Tip Speed Ratio (TSR)): λ = ω δ V R (1.2) Όπου: ω δ είναι η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της Α/Γ, R είναι η ακτίνα των πτερυγίων, V η ταχύτητα του ανέμου. 16

Εικόνα 1.5: Διάγραμμα συντελεστή ισχύος C p και λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου λ [1.16] 3) Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα (Φ/Β) συστήματα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από την ανεξάντλητη και δωρεάν ηλιακή ενέργεια. Τα βασικά πλεονεκτήματα των Φ/Β συστημάτων είναι: ανανεώσιμη φύση της ηλιακής ενέργειας ως καύσιμο ελάχιστη περιβαλλοντική επίδραση η ηλιακή ακτινοβολία είναι δωρεάν, οπότε μειώνεται σημαντικά ο λογαριασμός των καταναλωτών χρόνος ζωής περισσότερος από 30 χρόνια με ελάχιστη συντήρηση αθόρυβη λειτουργία Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων εκτιμάται ότι τα Φ/Β θα παρέχουν στο μέλλον σημαντικό ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που θα προέρχεται από τις ΑΠΕ. Επίσης, λόγω της σημαντικής βελτίωσης των αντιστροφέων, τα Φ/Β θεωρούνται η βασική μέθοδος αύξησης της τοπικής διεσπαρμένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε επίπεδο διανομής. Παρά τα πλεονεκτήματα που έχουν, τα Φ/Β συστήματα υποφέρουν από μειονεκτήματα, όπως το υψηλό κόστος εγκατάστασης κι η χαμηλή απόδοση. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι μικρές Φ/Β εγκαταστάσεις είναι οικονομικά πιο αποδοτικές από τις μεγάλες. Η ευρεία διείσδυσή τους στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί εξελιγμένα δίκτυα διανομής ή μικροδίκτυα. Επειδή το ρεύμα κι η τάση ενός Φ/Β κυττάρου είναι πολύ μικρά, για να αυξηθεί η ισχύς κι η τάση εξόδου, τα Φ/Β κύτταρα συνδυάζονται μεταξύ τους παράλληλα και σε σειρά, δημιουργώντας Φ/Β σειρές και συστοιχίες. Για συγκεκριμένες τιμές τάσης-ρεύματος (με σταθερή ακτινοβολία και θερμοκρασία) η ισχύς εξόδου των Φ/Β παρουσιάζει μία ολικά μέγιστη τιμή. Για αυτό, τα περισσότερα Φ/Β συστήματα είναι εξοπλισμένα με σύστημα ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking (MPPT)), το 17

οποίο μεγιστοποιεί την ισχύ εξόδου μεταβάλλοντας το σημείο λειτουργίας ανάλογα με την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Εικόνα 1.6: I-V και P-V χαρακτηριστικές καμπύλες Φ/Β πλαισίου [1.15] Τα Φ/Β πλαίσια μπορεί να είναι: μονοκρυσταλλικού πυριτίου, με απόδοσης περίπου 15% πολυκρυσταλλικού πυριτίου, με απόδοσης περίπου 12% άμορφου πυριτίου (thin film), με απόδοση περίπου 6%, αλλά πολύ φθηνότερα υβριδικής τεχνολογίας, με απόδοση περίπου 17%. Είναι εξαιρετικά δημοφιλή λόγω απόδοσης κι απλής παραγωγικής διαδικασίας σε χαμηλή θερμοκρασία. 4) Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή Η μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική παραγωγή χρησιμοποιείται αποτελεσματικά για παραγωγή ισχύος εντός των μικροδικτύων. Η ισχύς παραγωγής τους εξαρτάται από την τοπολογία της περιοχής και το ετήσιο ποσοστό βροχής. Υποφέρουν από μεγάλες μεταβολές στην παραγωγή, λόγω της μεταβαλλόμενης ροής νερού από την ακανόνιστη πτώση της βροχής, ιδιαίτερα αν δεν διαθέτουν κάποια δεξαμενή αποθήκευσης νερού. Η ισχύς εξόδου ενός υδροστρόβιλου δίνεται από την εξίσωση: P = QHηρg (1.3) Όπου: P η συνολική ισχύς (W), Q η ροή νερού (m 3 /s), Η η υψομετρική διαφορά επιφάνειας νερού και γεννήτριας (m), η η συνολική απόδοση, ρ η πυκνότητα νερού (1000 kg/m 3 ), g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ). Για να αυξήσουμε την ισχύ εξόδου ενός υδροστρόβιλου, πρέπει να αυξήσουμε τη ροή νερού ή την υψομετρική διαφορά. Ανάλογα με τη ροή και την υψομετρική διαφορά 18

χρησιμοποιούνται κι αντίστοιχοι τύποι υδροστρόβιλων. Οι υδροστρόβιλοι συνδυάζονται με επαγωγικές και σύγχρονες γεννήτριες και χρήση κατάλληλου κιβωτίου ταχυτήτων. 1.3 ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Στη σημερινή εποχή, η ανάπτυξη των συστημάτων κατανεμημένης παραγωγής κι ειδικά των μικροδικτύων (Microgrids) έχει αυξηθεί σημαντικά. Ένα σύστημα κατανεμημένης παραγωγής αποτελείται από πηγές ηλεκτρικής ενέργειας τοποθετημένες κοντά σε τοπικά φορτία. Όπως αναλύθηκε στην προηγούμενη ενότητα, οι πηγές μπορεί να είναι διαφορετικών ειδών, όπως ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά πλαίσια, κυψέλες καυσίμου, κ.α. Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται υβριδικό κι είναι κατάλληλο για το ηλεκτρικό δίκτυο αγροτικών κι απομακρυσμένων περιοχών. Ένα μικροδίκτυο είναι ένα υβριδικό σύστημα συνδυασμένης παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας με χαρακτηριστικό γνώρισμα την ικανότητα νησιδοποίησης του. Νησιδοποίηση καλείται η αποσύνδεση του μικροδικτύου από το κυρίως δίκτυο χωρίς τη διακοπή παραγωγής ενέργειας για τα φορτία που συνδέονται στη νησίδα που έχει αποκοπεί. Δηλαδή, το μικροδίκτυο είναι ικανό να λειτουργεί στις εξής δύο καταστάσεις λειτουργίας: κανονική διασύνδεση - όπου το μικροδίκτυο είναι διασυνδεδεμένο με το κυρίως δίκτυο μέσης τάσης, είτε λαμβάνοντας είτε εγχέοντας ποσό ισχύος από/σε αυτό έκτακτη ανάγκη - όπου το μικροδίκτυο λειτουργεί αυτόνομα, όταν συμβεί αποσύνδεση από δίκτυο μέσης τάσης Ένας καλύτερος τρόπος για να αντιληφθεί κανείς την επιτακτική ανάγκη της κατανεμημένης παραγωγής - μικροδικτύου είναι η θεώρηση παραγωγής και των συσχετιζόμενων με αυτή φορτίων ως υποσύστημα. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει τον τοπικό έλεγχο μειώνοντας ή εξαλείφοντας την ανάγκη κεντρικού χειριστή. Κατά τη διάρκεια των διαταραχών, η παραγωγή και τα αντίστοιχα φορτία είναι εφικτό να διαχωριστούν από το σύστημα διανομής, ώστε να απομονωθεί το φορτίο του μικροδικτύου διατηρώντας το υψηλό επίπεδο ποιότητας παρεχόμενης ισχύος και χωρίς επιβλαβείς συνέπειες για ολόκληρο το δίκτυο μεταφοράς. Στόχος της σκόπιμης νησιδοποίησης είναι η αυξημένη αξιοπιστία σε σχέση με εκείνη που παρέχει το δίκτυο ισχύος ως ενιαίο σύνολο. Οι πηγές ισχύος των μικροδικτύων είναι μικρής ισχύος (<100 kw) μονάδες με διεπαφές ηλεκτρονικών ισχύος. Οι πηγές αυτές είναι χαμηλού κόστους, χαμηλής τάσης κι υψηλής αξιοπιστίας με ελάχιστες εκπομπές ρύπων. Τα ηλεκτρονικά ισχύος προσφέρουν την ευελιξία στον έλεγχο που επιζητείται από το σκεπτικό του μικροδικτύου. Ορθά σχεδιασμένος έλεγχος στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος διασφαλίζει την ορθή λειτουργία του μικροδικτύου. Για την επίτευξη, λοιπόν, ορθής λειτουργίας απαιτείται η δομή του συστήματος να συμπεριλαμβάνει τα ακόλουθα κρίσιμα στοιχεία: τοπικό έλεγχο μικροπηγών κεντρικό ελεγκτή ή σύστημα βελτιστοποίησης κατανεμημένη προστασία 19

Σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο έχουν οι μονάδες αποθήκευσης, οι οποίες είναι αυτές που εξασφαλίζουν την αυτονομία του μικροδικτύου. Τα μικροδίκτυα, για να μπορούν να καλύπτουν τα κρίσιμα φορτία τους σε κατάσταση αποσύνδεσης από το δίκτυο, χρησιμοποιούν συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως: μπαταρίες υπεραγώγιμα πηνία σφονδύλους με υπεραγώγιμη έδραση (flywheels) υπερπυκνωτές (ultra-capacitors) Αυτές οι συσκευές συνδέονται στο ζυγό συνεχούς ρεύματος του μικροδικτύου κι έχουν δυνατότητες συνέχισης της λειτουργίας τους (fault ride through) σε περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων στο δίκτυο. Μπαταρίες Η αύξηση της σημασίας τους την τελευταία δεκαετία οφείλεται κυρίως στην επιβολή του ηλεκτρικού αυτοκινήτου για περιβαλλοντικούς λόγους, αλλά και την εξομάλυνση της τροφοδοσίας ισχύος από αιολικές κι ηλιακές πηγές ενέργειας. Οι διαδεδομένες μπαταρίες μολύβδου-οξέος, αν κι έχουν λογικό κόστος, έχουν μικρή πυκνότητα ενέργειας. Για την τροφοδοσία ηλεκτρικών αυτοκινήτων έχουν αναπτυχθεί μπαταρίες νικελίου-υδρογονούχου μετάλλου, μπαταρίες ιόντων λιθίου και λιθίου με ηλεκτρολύτη πολυμερή. Υπεραγώγιμα πηνία Μαγνητική ενέργεια αποθηκευμένη σε υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)) χρησιμοποιείται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (της τάξης των MW) για μικρό χρονικό διάστημα της τάξης μερικών δευτερολέπτων (30 MJ υπεραγώγιμα πηνία διατίθενται στο εμπόριο). Η ενέργεια αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρομαγνήτη, που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά. Η φόρτιση κι η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενους μετατροπείς ισχύος. Σφόνδυλοι Ταχέως περιστρεφόμενοι δίσκοι ή κύλινδροι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση κινητικής ενέργειας, που μετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική με τη σύζευξή τους σε μία γεννήτρια. Ο περιοριστικός παράγοντας για την αποθήκευση της ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου. Πρόσφατα όμως, η ανάπτυξη της υπεραγώγιμης έδρασης, υπόσχεται να ελαττώσει την τριβή κατά δύο τάξεις μεγέθους, για αποθήκευση ενέργειας στη περιοχή των 10 KWh. Υπερπυκνωτές Στους επιστήμονες είναι εδώ και πολύ καιρό γνωστό ότι η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί ως ηλεκτρικό φορτίο, αντί των χημικών αντιδράσεων που έχουμε στις μπαταρίες. Η τεχνολογία για την ταχεία φόρτιση υπάρχει εδώ και δεκαετίες στους υπερπυκνωτές (ultracapacitors). Οι υπερπυκνωτές, ακριβέστερα γνωστοί ως ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλού στρώματος ή ηλεκτροχημικοί πυκνωτές, μπορούν να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερο 20

φορτίο σε σχέση με τους συμβατικούς πυκνωτές. Οι υπερπυκνωτές όχι μόνο φορτίζουν πιο γρήγορα από τις μπαταρίες, αλλά διαρκούν και περισσότερο, επειδή δεν υποφέρουν από τη φυσική φθορά της φόρτισης κι εκφόρτισης, που καταπονεί τις μπαταρίες. Ωστόσο, το μέγεθος των υπερπυκνωτών θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο για να αποθηκεύσουν την ίδια ενέργεια με τις μπαταρίες και το κόστος τους είναι αρκετά υψηλό. Η αρχιτεκτονική του μελλοντικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας θα απέχει πολύ από εκείνη του συμβατικού συστήματος, με τα μικροδίκτυα να αποτελούν τον πυρήνα του. Το μικροδίκτυο, όπως σχεδιάστηκε από το CERTS (Consortium for Electric Reliability Technology Solutions), διαθέτει δύο κρίσιμα συστατικά στοιχεία: το στατικό διακόπτη και τη μικροπηγή. Ο στατικός διακόπτης έχει την ικανότητα να απομονώνει το μικροδίκτυο αυτόνομα από σφάλματα ή διαταραχές της ποιότητας ισχύος. Μετά τη νησιδοποίηση η επανασύνδεση του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο επιτυγχάνεται αυτόνομα με το πέρας της διαταραχής. Η εικόνα που ακολουθεί διασαφηνίζει τη βασική δομή του μικροδικτύου. Εικόνα 1.7: Βασική δομή μικροδικτύου [1.9] 1.4 ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Η λειτουργία των μικροδικτύων, όπως προαναφέρθηκε, είναι δυνατή σε δύο καταστάσεις: σε διασυνδεδεμένη στο δίκτυο λειτουργία (grid-connected mode, "On-grid mode") ή σε αυτόνομη, απομονωμένη λειτουργία (standalone, "Off-grid mode"). 21

Στην περίπτωση της διασύνδεσης, το μικροδίκτυο συνδέεται με το κυρίως δίκτυο στη μέση ή χαμηλή τάση. Αυτό εξαρτάται από την τοποθεσία και τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Το διασυνδεδεμένο μικροδίκτυο ανταλλάσσει (λαμβάνει ή εγχέει) ποσά ισχύος με το κυρίως δίκτυο και παρέχει την απαιτούμενη ισχύ στα τοπικά του φορτία. Ειδικότερα, η βασική λειτουργία των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής είναι η παραγωγή ισχύος, η τροφοδότηση τοπικών φορτίων κι η στήριξη ισχύος για το μικροδίκτυο στο σύνολό του. Η ενεργός κι άεργος ισχύς του μικροδικτύου είναι δυνατό να ελεγχθούν διαμέσου των ηλεκτρονικών μετατροπέων που αποτελούν τη διεπάφη για τη διασύνδεση. Οι τιμές αναφοράς για κάθε μονάδα κατανεμημένης παραγωγής παρέχονται από τον διαχειριστή λειτουργίας του μικροδικτύου (MG operating manager (MOM)). Επιπρόσθετα, ο έλεγχος των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής είναι δυνατό να παρακολουθεί το σημείο μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point (MPP)), όπως συνήθως συμβαίνει σε ανεμογεννήτριες και σε φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Εικόνα 1.8: Καταστάσεις λειτουργίας μικροδικτύου: α) διασυνδεδεμένο στο κυρίως δίκτυο β) αυτόνομη λειτουργία (νησιδοποίηση) [1.10] Στην περίπτωση σφάλματος κι αφού λειτουργήσουν οι διακόπτες προστασίας ή σε περίπτωση προσχεδιασμένης διακοπής, το μικροδίκτυο αποσυνδέεται από το κυρίως δίκτυο το συντομότερο δυνατό κι αναλαμβάνει τα τοπικά του φορτία. Δηλαδή, το μικροδίκτυο λειτουργεί σε κατάσταση νησιδοποίησης με αυτόνομο τρόπο, παρόμοιο με αυτόν που λειτουργούν οι φυσικές νησίδες του συστήματος όταν αποσυνδέονται από το κυρίως δίκτυο. Κι έτσι, τα φορτία ήσσονος σημασίας αποσυνδέονται (εικόνα 1.3, τροφοδότης (feeder) D), εάν η ικανότητα παροχής ισχύος του μικροδικτύου κριθεί ανεπαρκής για τη στήριξη των τοπικών φορτίων του. 22

1.5 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (AC AND DC MICROGRIDS) Ένα τυπικό μικροδίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος (ac microgrid) διασυνδέεται με το δίκτυο μέσης τάσης στο σημείο κοινής σύζευξης (Point of Common Coupling, PCC). To κυρίως δίκτυο μπορεί να είναι ένα AC δίκτυο ή ένα ισχυρό DC δίκτυου. Οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής και τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας συνδέονται σε κάποια σημεία του δικτύου διανομής. Μέρος του δικτύου αποτελούμενο από κατανεμημένες παραγωγές και φορτία σχηματίζουν ένα μικρό απομονωμένο AC ηλεκτρικό σύστημα, το λεγόμενο AC μικροδίκτυο. Κατά τη λειτουργία υπό κανονικές συνθήκες τα δύο δίκτυα είναι συνδεδεμένα στο σημείο κοινής σύζευξης ενώ τα φορτία τροφοδοτούνται από τις τοπικές πηγές (π.χ. ανανεώσιμες πηγές ενέργειας) κι αν κριθεί απαραίτητο από το δίκτυο. Εάν η ζητούμενη ισχύς είναι μικρότερη από εκείνη που παράγουν οι πηγές κατανεμημένης παραγωγής η πλεονάζουσα ισχύς εγχέεται στο κυρίως σύστημα. Στον πίνακα 1.1 ενδεικτικά αναφέρονται κάποια τυπικά παραδείγματα AC φορτίων που υπάρχουν στη πλειοψηφία των νοικοκυριών. Τυπικό παράδειγμα AC μικροδικτύου στη χώρα μας αποτελεί το μικροδίκτυο της Κύθνου, το οποίο αποτελείται από φωτοβολταϊκές συστοιχίες, ντιζελογεννήτρια και συστοιχίες μπαταριών. Στις περισσότερες περιπτώσεις η λειτουργία ενός AC μικροδικτύου υιοθετεί τα πρότυπα τάσης και συχνότητας των συμβατικών συστημάτων διανομής. Πίνακας 1.1: Τυπικά παραδείγματα οικιακών AC φορτίων [1.1] AC Φορτία Τάση (V) Ρεύμα (Α) Ισχύς (W) Φούρνος μικροκυμάτων 240-8300 Πλυντήριο πιάτων 120 11 - Τοστιέρα 120-1050 Καφετιέρα 120-1100 Στεγνωτήριο ρούχων 240-5600 Ηλεκτρική κουζίνα - 240-8,8 Μάτι Ψυγείο 120 8,3 - Πλυντήριο 120 7 - Συνοπτικά, τα AC μικροδίκτυα είναι εφικτό να περιλαμβάνουν ανανεώσιμες και μηανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης, σχετίζονται με πολλές εφαρμογές, όπως με εφαρμογές σε απομακρυσμένες περιοχές, εμπορικά κτίρια κι ως εφεδρικά συστήματα για την παροχή ισχύος, βελτιώνοντας την απόδοση και την αξιοπιστία της υπάρχουσας υποδομής. 23

Εικόνα 1.9: Μικροδίκτυο α) εναλλασσομένου (AC) και β) συνεχούς ρεύματος (DC) [1.1] Παραδοσιακά λοιπόν, το ηλεκτρικό δίκτυο έχει σχεδιασθεί με τρόπο τέτοιο ώστε η ισχύς που παράγεται στους κεντρικούς σταθμούς να μεταφέρεται μέσω γραμμών μεταφοράς υψηλής AC τάσης (High-Voltage AC (HVAC)) και γραμμών διανομής χαμηλής τάσης στα νοικοκυριά και τις επιχειρήσεις. Ωστόσο, τα συστήματα συνεχούς ρεύματος (Direct Current (DC)) χρησιμοποιούνται στα βιομηχανικά δίκτυα διανομής, στις τηλεπικονωνιακές εφαρμογές, σε μεταφορά ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις ή μέσω υποθαλάσσιων καλωδίων και για τη διασύνδεση AC δικτύων με διαφορετικές συχνότητες. Ο εξοπλισμός των καταναλωτών, καθώς κι οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής κυριαρχούνται από ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος. Οι συσκευές αυτές απαιτούν DC ισχύ για τη λειτουργία τους. Ωστόσο, όλες αυτές οι DC συσκευές απαιτούν τη μετατροπή της διαθέσιμης AC ισχύος σε DC και στην πλεοψηφία τους για τα στάδια αυτής της μετατροπής χρησιμοποιούν μη αποδοτικούς ανορθωτές. Επιπλέον, η ισχύς από DC κατανεμημένες παραγωγές πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε AC ώστε να γίνει η διασύνδεση με το υπάρχον AC δίκτυο κι έπειτα να γίνει η μετατροπή της σε DC για διάφορες τελικές χρήσεις. Αυτά τα διαδοχικά στάδια μετατροπής της ισχύος από DC-AC-DC έχουν ως επακόλουθο απώλειες ισχύος. Με βάση την εμπειρία της λειτουργίας σε υψηλή τάση συνεχούς ρεύματος (High-Voltage DC (HVDC)) αλλά και την ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος το ενδιαφέρον για περισσότερο αποδοτικές λύσεις έχει αυξηθεί. Το χαμηλής τάσης DC (Low- Voltage DC (LVDC)) δίκτυο διανομής αποτελεί ένα νέο σκεπτικό για το μελλοντικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στην εικόνα 1.9β παρουσιάζεται ένα τυπικό DC μικροδίκτυο διασυνδεδεμένο με το κυρίως δίκτυο στο σημείο κοινής σύξευξης, το οποίο μπορεί να βρίσκεται στο AC δίκτυο μέσης τάσης ή σε μια γραμμή μεταφοράς υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος συνδέοντας, για παράδειγμα, ένα υπεράκτιο αιολικό πάρκο. Στον πίνακα 1.2 συγκεντρώνονται κάποια τυπικά παραδείγματα οικιακών συσκευών που τροφοδοτούνται με DC ισχύ. 24

Πίνακας 1.2: Τυπικά παραδείγματα οικιακών DC φορτίων [1.1] DC Φορτία Τάση (V) Ρεύμα (Α) Ισχύς (W) Laptop 20 4,5 - Κινητό 5 0,55 - Ασύρματα τηλέφωνα 6,5 0,5 - DVD player - - 26 Ηλεκτρικό σκουπάκι 10 0,25 - Ασύρματο router 5 2,5 - (internet) 54 Plasma τηλεόραση - - 465 Συσκευή ταχείας φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος 200-380 - - Με το δίκτυο χαμηλής τάσης DC (Low-Voltage DC (LVDC)) μειώνονται οι απώλειες ισχύος, βελτιώνεται η ποιότητα παρεχόμενης ισχύος (power quality) σε σχέση με το παρόν δίκτυο διανομής κι επιπλέον διευκολύνεται η διασύνδεση κι άλλων πηγών κατανεμημένης παραγωγής. Ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί σε εφαρμογές των DC μικροδικτύων τα οποία τροφοδοτούν κρίσιμα φορτία σε κτίρια εμπορικών κέντρων, εργοστασίων και νοσοκομείων. Συνήθως, τα DC μικροδίκτυα χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ευαίσθητων ηλεκτρονικών φορτίων και βιομηχανικά συστήματα κινητήρων. Επιπρόσθετα, οι σταθμοί φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων θα αποτελέσουν στο μέλλον σημαντικές περιοχές εφαρμογής των DC μικροδικτύων. Mε αυτόν τον τρόπο, η προοπτική εφαρμογής "όχημα στο δίκτυο" (vehicle-to-grid (V2G)) θα επιτρέπει στα ηλεκτρικά οχήματα (Electric Vehicles) και τα υβριδικά οχήματα συνδεόμενα στο δίκτυο (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) να προμηθεύουν το δίκτυο, παρέχοντας έτσι βοηθητικές υπηρεσίες (ancillary services) σε αυτό. Για παράδειγμα, ως γνωστόν η παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως από την αιολική κι ηλιακή ενέργεια, είναι διαλείπουσας φύσης και για τη βέλτιστη χρησιμοποίηση της ενέργειας απαιτούνται συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τα οποία, ωστόσο, δεν είναι πάντοτε επαρκή. Με την ενσωμάτωση της τεχνολογίας "όχημα στο δίκτυο" (vehicle-to-grid (V2G)) το πλεόνασμα της ενέργειας θα είναι δυνατό να απλά αποθηκευθεί και να επιστραφεί πίσω στο δίκτυο όταν αυτό κριθεί απαραίτητο. 1.6 ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Γενικά, οι ελεγκτές του μικροδικτύου διασφαλίζουν την ασφαλή και βέλτιστη λειτουργία του συστήματος, τη μείωση εκπομπής ρύπων καθώς και την ομαλή μεταφορά από τη μία κατάσταση λειτουργίας στην άλλη, χωρίς να παραβιάζονται οι περιορισμοί κι οι απαιτήσεις του συστήματος. Κάτι τέτοιο επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ελεγκτών τριών ειδών: 25

ελεγκτής της μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής (Distributed Generation Controller (DGC)) ή ελεγκτής μικροπηγής (microsource controller), ο οποίος συνδέεται σε κάθε μονάδα παραγωγής και σε κάθε συσκευή αποθήκευσης ενέργειας κεντρικός ελεγκτής μικροδικτύου ( Microgrid Central Controller (MGCC)) κι ο ελεγκτής φορτίου (Load Controller (LC)) Κάθε μονάδα κατανεμήμενης παραγωγής παράγει τη δική της συχνότητα και τάση σε αναλογία με το ποσό ενεργού κι άεργου ισχύος ώστε να επιτυγχάνεται σωστή κατανομή φορτίου. Επομένως, με βάση τις απαιτήσεις αυτές ο έλεγχος του μικροδικτύου μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερα επίπεδα: Επίπεδο 0 (εσωτερικός βρόχος ελέγχου) Πρόκειται για βρόχο ελέγχου ισχύος μέσω του οποίου καθορίζεται η κατάσταση λειτουργίας των μονάδων παραγωγής και των συσκευών αποθήκευσης κι είναι ευρέως γνωστός ως έλεγχος τάσης και ρεύματος χαμηλού επιπέδου. Στην εικόνα 1.10 παρουσιάζεται το διάγραμμα ελέγχου με το σύνολο των βρόχων ελέγχου και των σημάτων οδήγησης κάθε μονάδας. Στο επίπεδο αυτό, συνήθως, ο έλεγχος εγγυάται ευσταθή συμπεριφορά και γρήγορη απόκριση σε κάθε κατάσταση λειτουργίας. Εικόνα 1.10: Διάγραμμα βρόχων ελέγχου μικροδικτύου [1.1] Επίπεδο 1 (βρόχος τοπικού ελέγχου) Είναι, επίσης, γνωστός ως πρωταρχικός έλεγχος αποκεντρωμένος έλεγχος (δεν απαιτείται επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων ισχύος). Οι εξισώσεις ελέγχου στατισμού (droop equations) συχνά χρησιμοποιούνται σε αυτό το επίπεδο για να εξομοιώσουν τη φυσική συμπεριφορά του συστήματος που το καθιστούν ευσταθές κι αποσβενύμενο. Πιο συγκεκριμένα, περιλαμβάνει τις χαρακτηριστικές στατισμού για τον έλεγχο ενεργού ισχύος - τάσης για τα DC μικροδίκτυα καθώς και για τον έλεγχο ενεργού ισχύος - συχνότητας κι άεργου ισχύος - τάσης για τα ΑC μικροδίκτυα. 26

Επίπεδο 2 (δευτερεύων βρόχος ελέγχου) Αναφέρεται στον κεντρικό έλεγχο του μικροδικτύου (MGCC) κι είναι υπεύθυνος για τη μέτρηση της συχνότητας και της τάσης. Η έξοδος της μονάδας ελέγχου αποστέλλεται μέσω επικοινωνιακού διαύλου για την προσαρμογή των σημάτων αναφοράς των τοπικών ελεγκτών (π.χ. βρόχοι έλεγχου στατισμού (droop controllers)). Επιπλέον, είναι δυνατό να περιλαμβάνει κι έναν βρόχου ελέγχου συγχρονισμού για τη σύνδεση ή αποσύνδεση του μικροδικτύου στο δίκτυο μέσης τάσης. Επίπεδο 3 (ολικός (global) βρόχος ελέγχου) Καλείται επίσης και τριτεύων βρόχος ελέγχου, όπου η παραγωγή ενέργειας ή η κατάσταση της αγοράς ενέργειας καθορίζει τον έλεγχο της ροής ισχύος μεταξύ των μικροδικτύων και του κυρίως δικτύου. Στο επίπεδο αυτό, άπαξ και το μικροδίκτυο συνδεθεί στο κυρίως δίκτυο η ροή ισχύος μπορεί να ελεγχθεί μεταβάλλοντας την τάση στο εσωτερικό του μικροδικτύου. Η εικόνα 1.11 επεξηγεί ότι τα σήματα αναφοράς του δευτερεύοντος βρόχου ελέγχου παράγονται από τον διαχειριστή λειτουργίας του μικροδικτύου (MG operating manager (MOM)) ή τον διαχειριστή του συστήματος του συστήματος μεταφοράς (Transmission operating manager (TSO)). Εικόνα 1.11: Διάγραμμα βρόχων ολικού και δευτερεύοντος ελέγχου [1.1] Επίσης, οργανώνει τη σχέση μεταξύ ενός δοθέντος μικροδικτύου και του δικτύου διανομής, καθώς κι άλλων συνδεδεμένων μικροδικτύων, προβλέπει βραχυπρόθεσμες αλλαγές του φορτίου, καθώς και την ικανότητα αποθήκευσης με οριακό κόστος παραγωγής κάθε μονάδας κατανεμημένης παραγωγής. 27

Εικόνα 1.12: Επίπεδα ιεραρχικού ελέγχου σε μικροδίκτυο [1.1] Τα επίπεδα που μόλις αναλύθηκαν και συγκεντρωμένα καταγράφονται στην εικόνα 1.12 αποτελούν τον ιεραρχικό έλεγχο (hierarchical control) μικροδικτύου, όπως προήλθε από τον αντίστοιχο για ευρείας κλίμακας συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα συμβατικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει σύγχρονες μηχανές μεγάλης αδράνειας κι επαγωγικά δίκτυα. Ωστόσο, στα μικροδίκτυα δεν υπάρχουν μεγάλες αδρανειακές μάζες κι η φύση των δικτύων είναι κυρίως ωμική. Οι διαφορές αυτές είναι σημαντικές και λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό των βρόχων ελέγχου του μικροδικτύου. Εικόνα 1.13: Τυπική δομή ελέγχου μικροδικτύου [1.1] 28

Η εικόνα 1.13 αναπαριστά μια τυπική δομή μικροδικτύου με κεντρικό έλεγχο που βασίζεται στον κεντρικό ελεγκτή και τους επιμέρους ελεγκτές των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής (ή ελεγκτές μικροπηγής). Οι μονάδες κατανεμημένης παραγωγής, καθώς κι οι συσκευές αποθήκευσης ακολουθούν τις εντολές του ελεγκτή τους με στόχο την ομαλή κι ευέλικτη λειτουργία, αλλά και την ικανοποίηση των απαιτήσεων των καταναλωτών και των εταιριών κοινής ωφέλειας. Οι ελεγκτές μικροπηγής είναι δυνατό να λειτουργούν με την παρέμβαση ή όχι του κεντρικού ελέγχου και στόχος τους είναι να παρέχουν τοπικό έλεγχο (επιπέδου 0 και 1), ο οποίος εξαρτάται από τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, που χρησιμοποιούνται ως διεπαφές σε κάθε μονάδα μικροπαραγωγής και σε κάθε συσκευή αποθήκευσης. 1.6.1 ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΜΙΚΡΟΠΗΓΗΣ Ο ελεγκτής μικροπηγής (microsource controller (MC)) ή ελεγκτής της μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής (Distributed Generation Controller (DGC)) είναι ένα σημαντικό συστατικό στοιχείο του μικροδικτύου. Ο ελεγκτής αυτός αποκρίνεται σε χρόνο της τάξης των χιλιοστών του δευτερολέπτου χρησιμοποιώντας έλεγχο με τοπικό χαρακτήρα κατά τη διάρκεια κάθε συμβάντος. Κύριο στοιχείο αποτελεί το γεγονός πως η επικοινωνία μεταξύ των μικροπηγών δεν είναι απαραίτητη για τη βασική λειτουργία. Κάθε αντιστροφέας είναι ικανός να ανταποκριθεί στις μεταβολές του φορτίου με προκαθορισμένο τρόπο, χωρίς μεταφορά δεδομένων από τις άλλες μικροπηγές, με δυνατότητα άμεσης σύνδεσης και λειτουργίας (plug and play). Κατά τον τρόπο αυτό, μια μικροπηγή μπορεί να προστεθεί στο μικροδίκτυο χωρίς αλλαγές στον έλεγχο και τις μονάδες προστασίας που ήδη υπάρχουν στο σύστημα. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει η δυνατότητα ενσωμάτωσης κατανεμημένης παραγωγής με ελάχιστη συνεισφορά στη πολυπλοκότητα του συστήματος. Βασικές εισόδους του ελεγκτή αποτελούν οι τιμές των σημείων λειτουργίας (set points) στη μόνιμη κατάσταση της ισχύος στην έξοδο P και της τάσης V του τοπικού ζυγού. Ακόμη κύριας σημασίας είναι κι η συμπεριφορά του μικροδικτύου κατά τη διάρκεια αποσύνδεσης από κυρίως δίκτυο στο σημείο κοινής ζεύξης (point of common coupling (PCC)). Συνοπτικά, οι ελεγκτές μικροπηγής διασφαλίζουν: την προσθήκη νέων μικροπηγών στο σύστημα χωρίς μετατροπή της προϋπάρχουσας δομής του ΑC ή DC μικροδικτύου τη σύξευξη/αποσύζευξη του μικροδικτύου με/από το κυρίως δίκτυο γρήγορα και χωρίς παρενέργειες τον ανεξάρτητο έλεγχο ενεργού κι άεργου ισχύος τη διόρθωση βύθισης τάσης τη διαχείριση σφαλμάτων χωρίς απώλεια της ευστάθειας του συστήματος την κάλυψη των απαιτήσεων του φορτίου και στα χαρακτηριστικά τους ενσωματώνονται: ο έλεγχος ενεργού κι άεργου ισχύος ο έλεγχος τάσης και ρεύματος 29

η ανάγκη για συστήματα αποθήκευσης ο καταμερισμός φορτίου. 1.6.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Ή ΚΕΝΤΡΙΚΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ Το σύστημα βελτιστοποίησης (system optimizer) ή κεντρικός έλεγχος μικροδικτύου (central control) παρέχεται από τον διαχειστή ενέργειας μικροδικτύου (MG Operating Manager). Ο διαχειριστής χρησιμοποιεί πληροφορίες σχετικές με τις τοπικές ανάγκες για ηλεκτρισμό και θερμότητα, τις απαιτήσεις σε ποιότητα ισχύος, το κόστος παραγωγής, τις ανάγκες για παροχή ισχύος, τις ανάγκες του δικτύου, τις απαιτήσεις από την πλευρά της ζήτησης, τα επίπεδα συμφόρησης, κ.α. ώστε να αποφασίσει την ποσότητα ισχύος που θα μεταφερθεί μεταξύ του μικροδικτύου και του δικτύου διανομής. Η λειτουργία του κεντρικού ελεγκτή (Microgrid Central Controller (MGCC)) αφορά στην επίβλεψη του συνολικού συστήματος ελέγχου και του συστήματος προστασίας του μικροδικτύου διαμέσου των ελεγκτών μικροπηγής και των ελεγκτών φορτίου. Κάποιες βασικές λειτουργίες του κεντρικού ελεγκτή είναι: διατηρεί την ποιότητα ισχύος και την αξιοπιστία για το σύνολο του μικροδικτύου παρέχει τις τιμές ισχύος και τάσης των σημείων λειτουργίας (set points) σε κάθε μικροελεγκτή διασφαλίζει την κάλυψη θερμικών κι ηλεκτρικών φορτίων διασφαλίζει την ανταλλαγή ποσοτήτων ισχύος και την ομαλή συνεργασία μεταξύ του μικροδικτύου με το δίκτυο μεταφοράς ελαχιστοποιεί τις εκπομπές ρύπων καθώς και τις απώλειες του συστήματος μεγιστοποιεί την αποδοτικότητα των μικροπηγών και παρέχει προγραμματισμό για οικονομική παραγωγή για τις μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής παρέχει στρατηγικές ελέγχου για νησιδοποίηση κι επανασύνδεση του μικροδικτύου διατηρεί σε συγκεκριμένα επίπεδα τη συχνότητα και την τάση για τα ηλεκτρικά φοτρία. Ο κεντρικός ελεγκτής, συνήθως, σχεδιάζεται για να λειτουργεί σε αυτόματη λειτουργία με πρόβλεψη για χειροκίνητη ανθρώπινη παρέμβαση εάν κάτι τέτοιο απαιτείται. 1.7 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις κατά τη λειτουργία του μικροδικτύου είναι ότι τα συστήματα προστασίας πρέπει να ανταποκρίνονται τόσο σε σφάλματα του μικροδικτύου όσο και σε σφάλματα του κυρίως δικτύου. Στη περίπτωση σφάλματος στο κυρίως δίκτυο είναι επιθυμητή η ταχύτατη απομόνωση του μικροδικτύου, ώστε να προστατευθούν τα φορτία του μικροδικτύου. Η ταχύτητα απομόνωσης εξαρτάται από τις ιδιατερότητες των φορτίων του μικροδικτύου. Σε κάποιες περιπτώσεις αντισταθμιστής βύθισης τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς αποκοπή από το δίκτυο διανομής με στόχο τη στήριξη κάποιων κρίσιμων φορτίων. Στη περίπτωση σφάλματος εντός του μικροδικτύου ο συντονιστής των 30

συστημάτων προστασίας (Protection System Coordinator) απομόνωνει το μικρότερο δυνατό τμήμα τροφοδοσίας ώστε να εξαλειφθεί το σφάλμα. Τα πιο συμβατικά μέτρα προστασίας σε επίπεδο διανομής βασίζονται στην ανίχνευση του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Γενικότερα, για τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας του μικροδικτύου απαιτείται σωστός συντονισμός μεταξύ των μονάδων της κατανεμημένης παραγωγής. Ο εγκατεστημένος εξοπλισμός προστασίας θα πρέπει πάντα να είναι ανανεωμένος με βάση την κατάσταση λειτουργίας. Ο κεντρικός ελεγκτής του μικροδικτύου (Microgrid Central Controller (MGCC)) επικοινωνεί με όλους τους τους ηλεκτρονόμους και τους ελεγκτές μικροπηγής (microsource controller) ώστε να καταγράφονται οι καταστάσεις τους ON/OFF, η μετρούμενη τιμή του ρεύματος κι η συνεισφορά του καθενός στο ρεύμα βραχυκυκλώματος. Η επικοινωνία μεταξύ των διακοπτών απαιτείται για την ενημέρωση του ρεύματος λειτουργίας, την ανίχνευση της κατεύθυνσης του σφάλματος κι έτσι τον, κατά το δυνατόν, περιορισμό των συνεπειών του. Κατά το σχεδιασμό του συστήματος προστασίας τόσο σε μικροδίκυα εναλλασομένου και συνεχούς ρεύματος πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι εξής παράμετροι: η ευαισθησία (sensitivity) - όλες οι ονομαστικές τιμές κατωφλίου ικανοποιούν συνολικά όλα τα επίπεδα ασφαλείας του εξοπλισμού του μικροδικτύου η επιλεκτικότητα (selectivity) - ελαχιστοποίηση των συνεπειών κατά την ανίχνευση σφάλματος, το σύστημα προστασίας δρα για την απομόνωση μόνο της περιοχής που έχει πληγεί η ταχύτητα απόκρισης ('the speed of response') - για την αποφυγή της καταστροφής του εξοπλισμού, αλλά και τη διατήρηση της ευστάθειας του συστήματος οι χρονοδιακόπτες προστασίας θα πρέπει να λειτουργήσουν στον ελάχιστο δυνατό χρόνο σε κάθε περίπτωση σφάλματος Βασικά, δύο είναι τα κύρια στοιχεία τα οποία πρέπει να διερευνώνται για την εφαρμογή ενός γενικευμένου σχήματος προστασίας του μικροδικτύου: αφενός ο αριθμός των εγκατεστημένων μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής κι αφετέρου το επίπεδο του ρεύματος βραχυκυκλώματος κατά την αυτόνομη λειτουργία, κατά την οποία έχουμε σημαντική μείωση του επίπεδου αυτού, όπως προαναφέρθηκε. Στην εικόνα 1.14 παρουσιάζεται η συνεισφορά κάθε στοιχείου του μικροδικτύου στο ρεύμα σφάλματος κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία. 31

Εικόνα 1.14: Ρεύμα σφάλματος μικροδικτύου [1.1] Στην περίπτωση όμως της αυτόνομης λειτουργίας το ρεύμα βραχυκυκλώματος τροφοδοτείται από εκείνες τις μικροπαραγωγές που παραμένουν ακόμη συνδεδεμένες στο μικροδίκτυο. Τότε, το πρόβλημα που προκύπτει είναι σχετικό με τους αντιστροφείς, οι οποίοι απότελουν τις διεπαφές του μικροδικτύου με το κυρίως δίκτυο, αποτελεί το εξαιρετικά χαμηλό ρεύμα βραχυκυκλώματος. Συνήθως είναι μικρότερο από το 200% του ονομαστικού τους ρεύματος, εκτός εάν είναι ειδικά σχεδιασμένοι να παρέχουν υψηλό ρεύμα βραχυκυκλώματος. Αυτό περιορίζει δραστικά το ρεύμα βραχυκυκλώματος των μικροπαραγωγών σε σύγκριση με αυτό από τις γεννήτριες του δικτύου. Έτσι, τότε κατά τη μετάβαση από τη διασυνδεδεμένη στην αυτόνομη λειτουργία έχουμε σημαντική μείωση του επίπεδου βραχυκυκλώματος του μικροδικτύου. Αυτό επηρεάζει την ευαισθησία και τη λειτουργία των ηλεκτρονόμων υπερέντασης του συστήματος, που αν είναι ρυθμισμένοι για τα μεγάλα ρεύματα βραχυκυκλώματος της διασυνδεδεμένης λειτουργίας, θα αποκριθούν πολύ αργά ή και καθόλου κατά την αυτόνομη λειτουργία. Συνεπώς, για ασφαλή κι αξιόπιστη λειτουργία του αυτόνομου μικροδικτύου, πρέπει να εξασφαλίζονται τα εξής: το αυτόνομο μικροδίκτυο να έχει κατάλληλη γείωση οι συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στο μικροδίκτυο πρέπει να συμμορφώνονται με τις συσκευές ανίχνευσης σφάλματος στη διασυνδεδεμένη λειτουργία πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος εντοπισμού σφάλματος που να μην εξαρτάται από το μεγάλο λόγο μεταξύ ρεύματος βραχυκυκλώματος και μέγιστου ρεύματος φορτίου, για να αντιμετωπίζεται το μικρό ρεύμα βραχυκυκλώματος στην αυτόνομη λειτουργία τεχνικές αντι-νησιδοποίησης πρέπει να εξετάζονται κι αν χρειάζεται να τροποποιούνται, για να αποφεύγεται αστάθεια ή απώλεια του μικροδικτύου από ευαίσθητες ρυθμίσεις 32

οποιαδήποτε στρατηγική απόρριψης φορτίων που καθορίζεται από το δίκτυο στο μικροδικτύο, πρέπει να είναι προσεκτικά συντονισμένη. Ένα σχήμα που εφαρμόζεται για την προστασία των ΑC μικροδικτύων είναι εκείνο της αποκεντρωμένης (decentralized) προστασίας, όπου κάθε μονάδα μικροπαραγωγής διαθέτει τον δικό της ηλεκτρονόμο. Αυτή η προσέγγιση είναι πιο αποδοτική για μονοφασικά ως προς γη βραχυκυκλώματα και βραχυκυκλώματα μεταξύ των δύο φάσεων. Ένα δεύτερο σχήμα αποτελεί η προστασία για την τάση με κεντρικοποιημένη μέθοδο (εικόνα 1.15). Στην περίπτωση αυτή οι φασικές τάσεις, μετασχηματισμένες στο d-q πλαίσιο αναφοράς, συγκρίνονται με την τάση αναφοράς διαμέσου του κεντρικού ελεγκτή του μικροδικτύου με μονάδα κεντρικής προστασίας. Εικόνα 1.15: Κεντρικοποιημένο σύστημα προστασίας για ΑC μικροδίκτυο [1.1] 1.8 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ - ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Συνοψίζοντας, η απόδοση ενός συμβατικού συστήματος είναι πολύ μικρότερη συγκρινόμενη με εκείνη του μικροδικτύου. Στη περίπτωση του συμβατικού συστήματος μεγάλα ποσά ενέργειας χάνονται υπό μορφή θερμότητας, εν αντιθέσει με την περίπτωση του μικροδικτύου, όπου οι μικροπηγές (μικροπαραγωγές) τοποθετούνται σε κοντινή απόσταση από το φορτίο. Κυριότερα πλεονεκτήματα των μικροδικτύων αποτελούν: η ικανότητα νησιδοποίησης κατά τη διάρκεια διαταραχής του κυρίως δικτύου χωρίς ή με ελάχιστη απόρριψη φορτίων του μικροδικτύου 33

η αποφυγή πιθανού σφάλματος σε περιπτώσεις αιχμής φορτίου μειώνοντας το φορτίο του δικτύου τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας με μειωμένη ή μηδενική εκπομπή ρύπων η συνολικά αυξημένη ενεργειακή απόδοση, εξαιτίας της συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας σε κοντινές αποστάσεις από τις μικροπαραγωγές η μείωση του κόστους ενέργειας για τους καταναλωτές, καλύπτοντας τις μερικές ή κι όλες τις ενεργειακές απαιτήσεις τους. Ως κυριότερα μειονεκτήματα που απορρέουν από τη λειτουργία των μικροδικτυών καταγράφονται τα ακόλουθα: η τάση, η συχνότητα κι η ποιότητα ισχύος είναι οι τρεις κύριες παράμετροι οι οποίες πρέπει να ελέγχονται εντός συγκεκριμένων ορίων για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων χρησιμοποιούνται μπαταρίες ως συσκευές αποθήκευσης, που καταλαμβάνουν αρκετό χώρο κι απαιτούν συντήρηση η δυσκολία επανασυγχρονισμού με το κυρίως δίκτυο η προστασία του μικροδικτύου αποτελεί ένα από πιο σημαντικά ζητήματα για την υλοποίηση των μικροδικτύων η ανάπτυξη προτύπων διασύνδεσης μικροδικτύων για τη διασφάλιση της συνολικής συνοχής. 34

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1.1 J. J. Justo, F. Mwasilu, J. Lee, J.-W. Jung, "AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews 24 (2013) 387 405 1.2 J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, J. Matas, L. García de Vicuña, and M. Castilla, "Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids A General Approach Toward Standardization", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no. 1, January 2011 1.3 R.H.Lasseter, "MicroGrids", Proc. IEEE Power Eng. Soc. Winter Meeting, vol.1, Jan.2002, pp. 305-308 1.4 R.H. Lasseter, "Microgrids and Distributed Generation", Journal of Energy Engineering, American Society of Civil Engineers, Sept. 2007 1.5 J. A. Peças Lopes, C. L. Moreira, and A. G. Madureira, "Defining Control Strategies for MicroGrids Islanded Operation", IEEE Transactions on Power Systems, vol.21, no. 2, May 2006 1.6 I. Vechiu, A. Llaria, O. Curea, and H.Camblong, "Control of Power Converters for Microgrids", Ecologic Vehicles-Renewable Energies, Monaco, 2009 1.7 A. Arurampalam, M. Barnes, A. Engler, A. Goodwin, and N. Jenkins, "Control of power electronic interfaces in distributed generation Microgrids ", Int. J. Electronics, vol. 91, no.9, September 2004, 503 523 1.8 N. Α. Βοβός, "Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας", Διαλέξεις μαθήματος 1.9 F. A. Mohamed, and H. N. Koivo, "Modelling and Environmental/Economic Power Dispatch of MicroGrid Using MultiObjective Genetic Algorithm Optimization", Fundamental and Advanced Topics in Wind Power, Dr. Rupp Carriveau (Ed.), ISBN: 978-953-307-508-2, InTech, DOI: 10.5772/19154 1.10 S. A. Khan, R. Ali, S. Hussain, "Indroduction to Microgrid", http://www.slideshare.net/shahabkhan/microgrid-presentation 1.11 R. Majumder, "Modeling, Stability analysis and Control of Microgrids", Doct. Thesis, 2010 1.13http://www.nuvera.com/blog/index.php/category/stack/, 1.12http://smartgrid-for-india.blogspot.gr/2012/03/echelon-implements-microgrid-inindia.html https://encryptedtbn2.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcsw5jo09gni7zemfe8swue2_cy0tamvynrtfqactme q4xoe2s1m 35

1.15http://en.tdk.eu/tdk-en/373562/tech-library/articles/applications---cases/applications-- -cases/maximum-efficiency/171722 1.16 http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/365/1853/957 1.14http://michiganradio.org/post/developers-face-obstacles-offshore-wind-farms-greatlakes#stream/0 1.17http://reginnovations.org/wp-content/uploads/2013/02/Guidelines-for-residentialmicro-CHP-systems-design.jpg 1.18 K. F. Krommydas, G. C. Konstantopoulos, M. K Bourdoulis, and A. T. Alexandridis, Distributed generation power system modeling in nonlinear Hamiltonian form, in Proc. IEEE ICIT 2012 Conf., Athens, Greece, March 2012, pp. 217-223 36

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΚΙ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως αναλύθηκε στο πρώτο κεφάλαιο, το μικροδίκτυο μπορεί να λειτουργεί είτε αυτόνομα είτε διασυνδεδεμένο με το κυρίως δίκτυο. Κι όπως είναι φυσικό ο έλεγχός του, ως μικρό δίκτυο διανομής με πολλαπλά φορτία, πηγές παραγωγής κι αποθήκευσης, αλλά και σε συνδυασμό με τους αντιστροφείς που διαθέτει καθίσταται ενδιαφέρον πεδίο έρευνας, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Στην περίπτωση της διασυνδεδεμένης λειτουργίας, απαιτείται έλεγχος του αντιστροφέα, ώστε το μικροδίκτυο να είναι ικάνο να ρυθμίζει την ενεργό κι άεργο ισχύ εξόδου, να διασφαλίζει υψηλό επίπεδο ποιότητας ισχύος και να μπορεί να ανταπεξέλθει σε πιθανές διαταραχές του δικτύου. Στην περίπτωση της αυτόνομης λειτουργίας, ο έλεγχος του αντιστροφέα έχει στόχο τη τροδοφότηση του φορτίου με τιμές τάσης και συχνότητας προκαθορισμένες από ειδική στρατηγική ελέγχου. Γενικά, δύο βρόχοι ελέγχου χρησιμοποιούνται όταν το μικροδίκτυο είναι αυτόνομο. Ο εσωτερικός βρόχος ελέγχου αποτελείται από PI ελεγκτές ρεύματος και τάσης, οι οποίοι είναι σχεδιασμένοι για να απορρίπτουν διαταραχές υψηλής συχνότητας και να αποσβένουν την έξοδο του φίλτρου ώστε να αποφεύγεται ο συντονισμός με το εξωτερικό δίκτυο. Ο εξωτερικός βρόχος βασίζεται στην ευρέως διαδεδομένη τεχνική ελέγχου στατισμού (droop control) με στόχο τον καταμερισμό της πραγματικής κι άεργου ισχύος μεταξύ των μικροπηγών. Τα μικροδίκτυα απαιτούν εκτεταμένο έλεγχο για να επιτύχουν ασφάλεια του συστήματος, βέλτιστη λειτουργία, μειωμένες εκπομπές ρύπων κι ομαλή μετάβαση από τη συνδεδεμένη με το δίκτυο κατάσταση λειτουργίας στην αποσυνδεδεμένη, χωρίς παραβίαση των προδιαγραφών και των απαιτήσεων του ρυθμιστή του συστήματος. Όπως επεξηγήθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, αυτός ο έλεγχος παρέχεται από τον κεντρικό ελεγκτή (Central Controller (CC)) και τους εξειδικευμένους ελεγκτές των μικροπαραγωγών και των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας (Microsource Controller (MC)). Οι μικροελεγκτές διεξάγουν τον τοπικό έλεγχο των λειτουργιών των μικροπαραγωγών. Ο κεντρικός ελεγκτής εκτελεί το συνολικό έλεγχο της λειτουργίας του μικροδικτύου και της προστασίας μέσω των μικροελεγκτών. Η κύρια λειτουργία του κεντρικού ελεγκτή είναι να διατηρεί την αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος μέσω του ελέγχου ισχύος-συχνότητας (P-f control), του ελέγχου της τάσης (Q-V control) και του συντονισμού της προστασίας. Επίσης εκτελεί τον προγραμματισμό οικονομικής λειτουργίας των μικροπαραγωγών και βοηθάει στη διατήρηση της εισαγόμενης ισχύος από το κύριο δίκτυο εντός των συμφωνηθέντων τιμών. Έτσι, ο κεντρικός ελεγκτής όχι μόνο συντονίζει το σύστημα προστασίας για ολόκληρο το μικροδίκτυο, αλλά παρέχει και τα σημεία λειτουργίας τάσης κι ισχύος για τους μικροελεγκτές, ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των καταναλωτών. Παρακολουθεί συνεχώς τη λειτουργία των μικροελεγκτών μέσω δύο εφαρμογών, της εφαρμογής διαχείρισης ενέργειας (Energy Manager Module (EMM)) και της εφαρμογής συντονισμού της προστασίας (Protection Coordination Module (PCM)). 37

2.2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ Τα ηλεκτρονικά ισχύος ή οι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος είναι ελεγχόμενες ή μη ελεγχόμενες διατάξεις που μετασχηματίζουν ένα ηλεκτρικό μέγεθος (τάση, ρεύμα). Διάφορες διατάξεις έχουν τη δυνατότητα να μετασχηματίζουν μια τάση από εναλλασσόμενη σε συνεχή ή αντίστροφα, από μονοφασική τάση σε τριφασική κι αντίστροφα ή να αλλάζουν το μέτρο ή τη συχνότητα μιας τάσης ή ενός ρεύματος. Τα κυκλώματα αυτά αποτελούν τη βάση για τον έλεγχο συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και κυρίως για εφαρμογές οδήγησης κινητήρων κι ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι βασικές διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: 1. τους μετατροπείς ΣΡ/ΣΡ (dc/dc converters) 2. τους μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ (ac/dc converters) 3. τους αντιστροφείς ΣΡ/ΕΡ (dc/ac inverters) Οι παραπάνω μετατροπείς βασίζονται στη διακοπτική λειτουργία ελεγχόμενων ηλεκτρονικών διακοπτών χρησιμοποιώντας κατάλληλα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας (πυκνωτές-πηνία) και διόδους. Κάθε κατηγορία αποτελείται από πολλών ειδών μετατροπείς ισχύος. Η ύπαρξη των διακοπτικών στοιχείων που περιλαμβάνουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς δυσκολεύει σε μεγάλο βαθμό την δημιουργία ενός μοντέλου συνεχούς χρόνου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε το «μοντέλο μέσης τιμής» των μετατροπέων το οποίο καταλήγει σε ένα μη γραμμικό σύστημα αλλά με συνεχείς μεταβλητές ώστε να επιτρέπει το σχεδιασμό ελεγκτών. Λόγω των ισχυρών μη γραμμικοτήτων που εμφανίζονται στα μοντέλα, πολλοί ερευνητές προχωρούν σε μια ακόμη απλοποίηση χρησιμοποιώντας το «μοντέλο μικρού σήματος» στο οποίο πραγματοποιείται γραμμικοποίηση γύρω από ένα σημείο ισορροπίας, γεγονός που μειώνει κατά πολύ την αξιοπιστία του μοντέλου. Ακριβέστερη περιγραφή της συμπεριφοράς τους αποτελούν τα μη γραμμικά μοντέλα μέσης τιμής. 2.2.1 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ Αντιστροφείς (Inνerters ή DC-AC Converters) ονομάζονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς μιας πηγής συνεχούς τάσης ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη μονοφασική ή τριφασική τάση ή ρεύμα. Το πρόβλημα, το οποίο προέκυψε πριν από πολλές δεκαετίες ήταν η δημιουργία μιας πηγής εναλλασσόμενης τάσης με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος. Η λύση δόθηκε με τη μετατροπή μιας πηγής συνεχούς τάσεως ή ρεύματος σε εναλλασσόμενη, μονοφασική ή τριφασική ή πολυφασική, με τη βοήθεια ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, των λεγόμενων αντιστροφέων.οι δυνατότητες που παρέχουν μεταβολή τόσο του πλάτους όσο και της συχνότητας της κυματομορφής εξόδου, είτε αυτή είναι τάση είτε είναι ρεύμα. Οι αντιστροφείς κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το είδος της τάσης εισόδου σε: 38

α) αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς τάσης (Αντιστροφείς Τάσης - Voltage Source Inverters ή Voltage fed Inverters - VSI), οι οποίοι έχουν τις περισσότερες εφαρμογές στην πράξη και β) αντιστροφείς οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή συνεχούς ρεύματος (Αντιστροφείς Ρεύματος - Current Source Inverters ή Current fed Inverters - CSI). Χρησιμοποιούνται, κυρίως, για έλεγχο μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος μεγάλης ισχύος. Ακολούθως, θα εστιάσουμε στους αντιστροφείς τάσης, επειδή χρησιμοποιούνται, κατά κύριο λόγο, σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Οι αντιστροφείς επίσης, κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων στην έξοδο του αντιστροφέα σε: α) μονοφασικούς αντιστροφείς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας - Half-Bridge Inverter (με δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία), σε συνδεσμολογία πλήρους γέφυρας - Full-Bridge Inverter (με τέσσερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία), Εικόνα 2.1: α) Μονοφασικός αντιστροφέας ημιγέφυρας (Half-Bridge Inverter) β) Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας (Full-Bridge Inverter) [2.7] 39

β) τριφασικούς αντιστροφείς με έξι ελεγχόμενα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία. Εικόνα 2.2: Τριφασικός αντιστροφέας [2.7] Η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα μπορεί να προέρχεται από: συσσωρευτές (μπαταρίες) πηγή ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχει συνεχή τάση (π.χ. φωτοβολταϊκές γεννήτριες, κυψέλες καυσίμου) ένα ανορθωτικό σύστημα, που αποτελείται από διόδους (στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές και σε αιολικά συστήματα). Η ανορθωμένη τάση σταθεροποιείται με τη βοήθεια πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας. Ενώ τα συνηθέστερα ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους αντιστροφείς είναι: στοιχεία των οποίων ελέγχεται μόνο η έναυση (π.χ. θυρίστορ), όπου απαιτείται η ύπαρξη βοηθητικού κυκλώματος σβέσης στοιχεία των οποίων ελέγχεται τόσο η έναυση όσο κι η σβέση (π.χ. διάφορα τρανσίστορ όπως BJT, MD, MOSFET, IGBT, GTO θυρίστορ, IGCT ή MCT). Η συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα καθορίζεται από το ρυθμό έναυσης και σβέσης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων κι επομένως, παρέχεται η δυνατότητα ρύθμισης αυτής μέσω του κυκλώματος παλμοδότησης του αντιστροφέα. Όμως, η διακοπτική λειτουργία του αντιστροφέα έχει, συνήθως, ως αποτέλεσμα μη ημιτονοειδείς κυματομορφές τάσης και ρεύματος στην έξοδό του. Η ρύθμιση του πλάτους της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου επιτυγχάνεται με κατάλληλο έλεγχο των ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα (σε περίπτωση που η τάση ή το ρεύμα εισόδου παραμένουν σταθερά) ή με έλεγχο της τιμής της συνεχούς τάσης (ρεύματος) εισόδου. 40

Το φιλτράρισμα των ανώτερων αρμονικών στην έξοδο του αντιστροφέα δεν είναι εύκολη υπόθεση και απαιτείται L-C φίλτρο. Ειδικά, στην περίπτωση κατά την οποία η συχνότητα των ανωτέρων αρμονικών μεταβάλλεται και βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση βάρους, όγκου και κόστους του φίλτρου, συνεπώς και του αντιστροφέα. Για όλους τους παραπάνω λόγους η δημιουργία κυματομορφών με το μικρότερο δυνατό αρμονικό περιεχόμενο κι ανώτερες αρμονικές που να εντοπίζονται σε όσο το δυνατό υψηλότερες συχνότητες αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους στόχους των κατασκευαστών βιομηχανικών αντιστροφέων. 2.3 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕ ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ (SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION - SPWM) O έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, μπορεί να επιτευχθεί με τη μεταβολή του εύρους των παλμών: μεταβάλλοντας, δηλαδή, τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα άγουν ή όχι. Η τεχνική αυτή, με την οποία επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, μέσω της αυξομείωσης του εύρους των παλμών της τάσης εξόδου, ονομάζεται: διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation - 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 κι η ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών. Αυτή που χρησιμοποιείται συνηθέστερα για την παλμοδότηση των τριφασικών μετατροπέων ισχύος είναι η ημιτονοειδής PWM (Sinusoidal PWM) κι αυτή θα αναλυθεί στη συνέχεια. 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 κι ογκώδη φίλτρα. Η χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, η συμβατότητα με τους μικροεπεξεργαστές, κι ο έλεγχος καθιστούν την εφαρμογή τους την κύρια επιλογή. Με μεταβολή του εύρους των παλμών με ημιτονοειδή τρόπο (Sinusoidal Pulse Width Mοdulatiοn - SPWM) δημιουργείται η κυματομορφή αναφοράς, η οποία είναι μια ημιτονοειδής κυματομορφή, καθώς κι η κυματομορφή φορέα, πρόκειται για μια τριγωνική κυματομορφή. Για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα οι δύο παραπάνω κυματομορφές συγκρίνονται μεταξύ τους: το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι μια λογική στάθμη 0, όταν το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και μια λογική στάθμη 1, όταν συμβαίνει το αντίθετο. Mε την μέθοδο αυτή μπορούμε να παράγουμε μια ημιτονοειδή, ελέγξιμη τάση εξόδου, σε μια επιθυμητή συχνότητα, καθώς κι επιτυγχάνεται η μορφοποίηση κι ο έλεγχος των τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα με μια σταθερή τάση εισόδου. Η συγκεκριμένη μέθοδος 41

χρησιμοποιείται περισσότερο στα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και δικτύου χαμηλής τάσης. Για να επιτευχθούν συμμετρικές τριφασικές τάσεις εξόδου με διαμόρφωση SPWM, συγκρίνεται η ίδια τριγωνική κυματομορφή με τρεις ημιτονοειδείς τάσεις ελέγχου οι οποίες έχουν διαφορά φάσης 120 o η μία από την άλλη. Για κάθε μια ημιτονοειδή τάση η τριγωνική κυματομορφή πλάτους V tri συγκρίνεται με αυτήν, η οποία αποτελεί και την κυματομορφή ελέγχου V control. Η συχνότητα f s της τριγωνικής κυματομορφής ονομάζεται φέρουσα συχνότητα, και καθορίζει την συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα, δηλαδή την συχνότητα μετάβασης. Το σήμα ελέγχου V control χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής των διακοπτών κι έχει συχνότητα f 1. Αυτή ονομάζεται συχνότητα διαμόρφωσης κι είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Οι τάσεις εξόδου u an, u bn, u cn έχουν την ίδια dc συνιστώσα, δηλαδή μέση τιμή. Οι dc συνιστώσες τελικά όμως εξαλείφονται στις πολικές τάσεις. Oι παραγόμενες αυτές τάσεις, δεν είναι τέλεια ημίτονα, αλλά περιέχουν κι αρμονικές συνιστώσες της συχνότητας διαμόρφωσης f 1. Εικόνα 2.3: Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Mοdulatiοn - SPWM) για μονοφασικό μετατροπέα [2.7] 42

Από τον λόγο της φέρουσας συχνότητας προς τη συχνότητα διαμόρφωσης προκύπτει ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f : m f = f s f 1 (2.1) Ομοίως ορίζεται κι ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a ως ο λόγος του πλάτους του σήματος ελέγχου προς το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής: m a = V control V tri (2.2) Το πλάτος της θεμελιώδους συχνότητας της τάσης εξόδου είναι ανάλογο του παραπάνω λόγου κατάτμησης, όταν λειτουργούμε στη γραμμική περιοχή του μετατροπέα. Δηλαδή, όταν ο λόγος κατάτμησης είναι μικρότερος ή ίσος με τη μονάδα. όπου : V an = m a V d 2 m a 1 (2.4) (2.3) V an το πλάτος της ac φασικής τάσης εξόδου του μετατροπέα στην θεμελιώδη συχνότητα V d η dc τάση στην είσοδο του μετατροπέα. Εάν, θέλουμε την RMS τιμή της πολικής τάσης στην έξοδο του μετατροπέα, για την θεμελιώδη συχνότητα, τότε θα χρησιμοποιήσουμε την παρακάτω σχέση: V ab (RMS) = 3 m V d 2 a 2 m a 1 (2.6) (2.5) 43

Εικόνα 2.4: Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Mοdulatiοn - SPWM) για τριφασικό μετατροπέα [2.10] 2.4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΣΤΟ ΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ d-q Οι πλέον ευρέως διαδεδομένοι ελεγχόμενοι τριφασικοί μετατροπείς είναι οι μετατροπείς αποτελούμενοι από τρανζίστορ ισχύος κι αντιπαράλληλες διόδους ελεύθερης ροής (freewheeling diodes), όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5. Ως τρανζίστορ ισχύος μπορεί να είναι οποιοσδήποτε τύπος ηλεκτρονικού διακόπτη υψηλής συχνότητας, με πιο συνήθη στις μέρες μας τους IGBT διακόπτες. Το σχηματικό διάγραμμα του τριφασικού αντιστροφέα φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. 44

Εικόνα 2.5: Σχηματικό διάγραμμα τριφασικού αντιστροφέα [2.5] Θεωρώντας τις μεταβλητές μπορούμε να περιγράψουμε τις θέσεις των έξι δικοπτών, με: p i = { 1, S i closed 1, S i closed i = a, b, c (2.7) Oι διακριτές τιμές για τις θέσεις λειτουργίας των διακοπτών δυσκολεύουν την ανάλυση και τον σχεδιασμό ελέγχου. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιούμε πάλι το μοντέλο μέσης τιμής κι έτσι, οι διακριτές συναρτήσεις μπορούν να αντικατασταθούν με τις αντίστοιχες συνεχείς συναρτήσεις που περιγράφουν τους λόγους κατάτμησης και λαμβάνουν τιμές στο συνεχές ανοικτό διάστημα (-1,1). Θεωρούμε την περίπτωση σύνδεσης του αντιστροφέα στο δίκτυο, οπότε στην πλευρά συνεχούς ρεύματος υπάρχει μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Εικόνα 2.6: Σχηματικό διάγραμμα τριφασικού αντιστροφέα συνδεδεμένου στο δίκτυο [2.5] 45

Το μοντέλο έχει αναπτυχθεί στο σύστημα των κάθετων αξόνων (d-q πλαίσιο αναφοράς) αντί του τριφασικού επειδή η ανάλυση στους d-q άξονες είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη κι ανάλυση των μεθόδων ελέγχου, η οποία βασίζεται στη σχεδίαση PI ελεγκτών. Έτσι, η ανάλυση γίνεται στο μετασχηματισμένο στο στρεφόμενο στη σύγχρονη ταχύτητα d- q πλαίσιο αναφοράς, επειδή τότε στη μόνιμη κατάσταση όλες οι μεταβλητές κατάστασης του υπό ανάλυση συστήματος μετατρέπονται από ημιτονοειδείς σε dc μεταβλητές. Η μελέτη των συστημάτων ενέργειας προϋποθέτει την χρήση μετασχηματισμών ώστε όλες οι μεταβλητές να αναφέρονται σε κοινό πλαίσιο αναφοράς. Έτσι, συχνά χρησιμοποιούμε το μετασχηματισμό Park που είναι αρκετά γνωστός από τη χρήση του στη μοντελοποίηση ηλεκτρικών μηχανών. Πρόκειται για ένα μετασχηματισμό ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί κάθε χρονική στιγμή σε τριφασικά συστήματα που εξαρτώνται από το χρόνο, κι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί είτε τη μόνιμη είτε τη μεταβατική κατάσταση. Εικόνα 2.7: abc και dq πλαίσιο αναφοράς [2.9] Θεωρούμε γωνία θ = ωt + θ 0, όπου ω κάποια αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t ο χρόνος και θ 0 η αρχική γωνία. Ο μετασχηματισμός Park συμβολίζεται με T dq0 και μεταφέρει κάποιο σύνολο μεταβλητών από το τριφασικό σύστημα στο σύστημα κάθετων d-q αξόνων σύμφωνα με τη σχέση: [x dq0 ] = [T dq0 (θ)][x abc ] (2.8) x d όπου [x dq0 ] = [ x q ] x 0 (2.9) και [x abc ] = [ x a x b x c ] (2.10) οι μετασχηματισμένες κι οι αρχικές μεταβλητές αντίστοιχα. Ο πίνακας μετασχηματισμού T dq0 ορίζεται ως εξής: 46

cosθ cos (θ 2π 3 ) cos (θ + 2π 3 ) [T dq0 ] = 2 3 [ sinθ sin (θ 2π 3 ) sin (θ + 2π 3 ) 1 2 1 2 1 2 ] Ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park δίνεται από τη σχέση: [T dq0 ] 1 = cosθ sinθ 1 cos (θ 2π 3 ) sin (θ 2π 3 ) 1 (2.11) (2.12) [ cos (θ + 2π 3 ) sin (θ + 2π 3 ) 1 ] και παρατηρούμε ότι ο μετασχηματισμός αυτός είναι χρονικά μεταβαλλόμενος με γωνιακή ταχύτητα ω. Μια από τις ιδιότητες του μετασχηματισμού Park είναι και η ορθογωνιότητα της μήτρας του. Έτσι [T dq0 ][T dq0 ] 1 = [T dq0 ][T dq0 ] Τ = [Ι] (2.13) 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: 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 ] (2.14) Στον μετασχηματισμό Park, ο κάθετος άξονας q προηγείται του ευθύ d άξονα κατά 90 όπως διακρίνεται. Όσον αφορά τον άξονα 0, στην περίπτωση συμμετρίας η συνιστώσα του παραλείπεται. Το απλουστευμένο σύστημα πλέον αποτελείται από τους δύο κάθετους άξονες d-q. Τέλος, πρέπει να αναφέρουμε ότι ο μετασχηματισμός Park έχει τη δυνατότητα να προσφέρει αποσυζευγμένους ελέγχους μεταξύ ενεργού κι άεργου ισχύος γεγονός που τον κάνει να χρησιμοποιείται σε βρόχους ελέγχου. Ωστόσο, αξίζει να επισημάνουμε ότι η ενεργός κι άεργος ισχύς δεν μπορούν απ ευθείας να συσχετιστούν με στοιχεία των d και q αξόνων σε αντίθεση με τη στιγμιαία ενεργό κι άεργο ισχύ που μπορούν να εξαχθούν απ ευθείας από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς. 47

Συνεπώς, η δυναμική συμπεριφορά του τριφασικού αντιστροφέα, σύμφωνα με τη συνδεσμολογία του σχήματος 2.6, στο d-q πλαίσιο αναφοράς περιγράφεται από τις ακόλουθες εξισώσεις: L di d dt = Ri d + ω s Li q m d V dc + U d (2.15) L di q dt = Ri q ω s Li d m q V dc + U q (2.16) C dv dc dt = 3 2 (m di d + m q i q ) i (2.17) όπου ω s είναι η συχνότητα του δικτύου, i d και i q είναι τα ρεύματα γραμμής του ευθέως και του εγκάρσιου άξονα αντίστοιχα, U d και U q είναι οι συνιστώσες της τάσης του δικτύου, ενώ με m d και m q συμβολίζουμε τους λόγους κατάτμησης ευθέως κι εγκάρσιου άξονα του αντιστροφέα που περιγράφονται από τη σχέση: και για τα οποία ισχύει: m d = V d V dc, m q = V q V dc (2.18) m a = 2 (m d 2 + m q 2 ) (2.19) Δφ = tan 1 ( m d m q ) (2.20) όπου είναι ο λόγος κατάτμησης της φάσης α χρησιμοποιώντας διαμόρφωση PWM και Δφ είναι η διαφορά φάσης μεταξύ των τάσεων U α και V α. Επιπλέον, στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται γραμμική διαμόρφωση PWM (linear modulation), όπου για το λόγο κατάτμησης m a ισχύει: ενώ για τα m d και m q έχουμε: m a 1 (2.21) m d 2 + m q 2 0.25 (2.22) Λειτουργώντας στην γραμμική περιοχή αποφεύγεται η εμφάνιση ανεπιθύμητων ανώτερων αρμονικών στο διαμορφωμένο σήμα. 48

2.5 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Συνήθως δύο είδη ελέγχου σχετίζονται με τη λειτουργία του αντιστροφέα, και πιο συγκεκριμένα: PQ έλεγχος: ο αντιστροφέας λειτουργεί ώστε να παρέχει τις δεδομένες ποσότητες ενεργού κι άεργου ισχύος, όπως αυτές ορίζονται από το σημείο αναφοράς (set point). Δηλαδή, η κυματομορφή της τάσης του αντιστροφέα πρέπει είναι ελεγχόμενη σε πλάτος και φάση, καθώς και συγχρονισμένη με την τάση δικτύου. έλεγχος τάσης αντιστροφέα (voltage source inverter (VSI) control): ο έλεγχος του αντιστροφέα έχει στόχο να παρέχει στο φορτίο προκαθορισμένες τιμές τάσης και συχνότητας. Η ενεργός κι άεργος ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα μπορούν να ορίζονται αυτόματα ανάλογα με τη ζήτηση φορτίου. Εύκολα γίνεται κατανοητό ότι ο PQ έλεγχος μπορεί να υιοθετηθεί στην περίπτωση κατά την οποία ο αντιστροφέας ανταλλάσει ενεργό κι άεργο ισχύ με το δίκτυο, όπως σε συστήματα αντιστάθμισης ή παραγωγής που βρίσκονται σε παράλληλη λειτουργία με το δίκτυο. Αντιθέτως, ο έλεγχος τάσης αντιστροφέα είναι κατάλληλος για την τροφοδότηση τοπικού φορτίου, όπως σε κινητήρια συστήματα ή απομονωμένα συστήματα, όπου ο αντιστροφέας είναι η μόνη πηγή ισχύος. Ειδικότερα, η εναλλαγή μεταξύ παράλληλης με το δίκτυο κι απομονωμένης λειτουργίας απαιτεί μία τεχνική ελέγχου μετάβασης και συγχρονισμού του αντιστροφέα με τη συχνότητα του δικτύου. Παρόμοιας φύσης, πιο σύνθετο πρόβλημα είναι η παράλληλη σύνδεση πολλών αντιστροφέων μεταξύ τους και με το δίκτυο, οι οποίοι επικοινωνούν διαμέσου κεντρικού ελεγκτή. Ο ελεγκτής αυτός θέτει την τάση ενός αντιστροφέα ως αναφορά για τους άλλους κατά την απομονωμένη λειτουργία. 2.6 ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP CONTROL) Η έννοια της τεχνικής ελέγχου στατισμού (droop control) αναπτύχθηκε αρχικά για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας με κεντρικοποιημένη παραγωγή. Συνήθως, εφαρμόζεται σε γεννήτριες για πρωταρχικό έλεγχο συχνότητας (και περιστασιακά για έλεγχο τάσης) με στόχο την παράλληλη λειτουργία τους (π.χ. καταμερισμός φορτίου). Η ενεργός κι άεργος ισχύς που μεταφέρεται διαμέσου μιας γραμμής μεταφοράς (όπου αμελούνται οι ωμικές απώλειες) δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: P = V 1V 2 sinδ (2.23) X Q = V 2 X (V 2 V 1 cosδ) (2.24) Σε μια πιο απλοποιημένη εκδοχή, καθώς η γωνία ισχύος δ λαμβάνει τυπικά μικρές τιμές ισχύει sinδ δ και cosδ 1 : 49

δ PX V 1 V 2 (2.25) (V 2 V 1 ) QX V 2 (2.26) Με τη βοήθεια των παραπάνω σχέσεων γίνεται εύκολα αντιληπτή η μεγάλη αλληλεπίδραση μεταξύ ενεργού ισχύος - γωνίας ισχύος, καθώς και μεταξύ άεργου ισχύος - διαφοράς τερματικών τάσεων στα άκρα της γραμμής. Κατά συνέπεια, ελέγχοντας την ενεργό και την άεργο ισχύ είναι εφικτός κι ο έλεγχος γωνίας ισχύος και τάσης. Επίσης, γνωστή από την εξίσωση ταλάντωσης για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι η σύνδεση της συχνότητας με τη γωνία ισχύος, οπότε μέσω του ελέγχου της ενεργού ισχύος επιτυγχάνεται κι ο έλεγχος της συχνότητας. Η θεώρηση αυτή αποτελεί τη βάση της τεχνικής ελέγχου στατισμού (droop control) για τη συχνότητα και την τάση όπου η ενεργός κι η άεργος ισχύς προσαρμόζονται σύμφωνα με γραμμικές χαρακτηριστικές. Ακολουθούν οι εξισώσεις ελέγχου: f = f 0 k p (P P 0 ) (2.27) V = V 0 k q (Q Q 0 ) (2.28) όπου f η συχνότητα του συστήματος f 0 η ονομαστική συχνότητα k p ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για τη συχνότητα P η ενεργός ισχύς κάθε μονάδας P 0 η ονομαστική ενεργός ισχύς κάθε μονάδας V η μετρούμενη τάση V 0 η ονομαστική τάση Q η άεργος ισχύς κάθε μονάδας Q 0 η ονομαστική άεργος ισχύς κάθε μονάδας k q ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για την τάση 50

Οι δύο εξισώσεις απεικονίζονται στις παρακάτω χαρακτηριστικές: Εικόνα 2.8: α) P-f χαρακτηριστική στατισμού β) Q - V χαρακτηριστική στατισμού [2.4] Ας προσπαθήσουμε να ερμηνεύσουμε τη χαρακτηριστική συχνότητας: όταν, για παράδειγμα η συχνότητα πέφτει από f 0 σε f, η ισχύς εξόδου της μονάδας παραγωγής επιτρέπεται να αυξηθεί από P 0 σε P. Μια πτώση της συχνότητας αποτελεί ένδειξη αύξησης του φορτίου και ζήτησης μεγαλύτερου ποσού ενεργού ισχύος. Στην περίπτωση παράλληλης λειτουργίας πολλών μονάδων με την ίδια χαρακτηριστική στατισμού η πτώση στη συχνότητα είναι δυνατό να αποκατασταθεί με ταυτόχρονη αύξηση των ισχύων εξόδου όλων των μονάδων. Η αύξηση της ενεργού ισχύος θα αλληλεπιδράσει με την μείωση της συχνότητας κι έτσι οι μονάδες παραγωγής θα ισορροπήσουν στην ισχύ και τη συχνότητα κάποιου σημείου μόνιμης κατάστασης της χαρακτηριστικής στατισμού. Η χαρακτηριστική στατισμού επιτρέπει σε πολλαπλές μονάδες να μοιράζονται το φορτίο. Παρόμοια λογική εφαρμόζεται και στη χαρακτηριστική τάσης. Οι συντελεστές στατισμού συνήθως περιγράφονται ως επί τις % ποσότητες, υποδηλώνοντας το ποσοστό της μεταβολής της μετρούμενης ποσότητας που προκαλεί 100% μεταβολή στην ελεγχόμενη ποσότητα. Για παράδειγμα, συντελεστής στατισμού για τη συχνότητα 5% σημαίνει ότι για αλλαγή της συχνότητας 5% η ισχύς στην έξοδο της μονάδας θα πρέπει να μεταβληθεί κατά 100%. Αυτό σημαίνει πως για μείωση της συχνότητας 1% η μονάδα θα αυξήσει την ισχύ που παράγει κατά 20%. 2.6.1 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (AC MICROGRID) Είναι βέβαιο ότι τα μικροδίκτυα βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο της εξέλιξης τους κι ως εκ τούτου οι τεχνικές ελέγχου και διαχείρισης τους είναι υπό διερεύνηση. 51

Κατά τη διασυνδεδεμένη λειτουργία επιλέγεται η τεχνική ελέγχου στατισμού (droop control) ισχύος - συχνότητας (P-f) για τον καταμερισμό ισχύος μεταξύ των μονάδων μικροπαραγωγής. Αυτή η τεχνική ελέγχου χρησιμοποιεί τη συχνότητα δικτύου ως κοινό σήμα αναφοράς μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής ώστε να εξισσοροπείται δυναμικά η παραγωγή ενεργού ισχύος του συστήματος. Η σχέση μεταξύ συχνότητας κι ενεργού ισχύος δύο μονάδων μικροπαραγωγής (DG1 και DG2) μπορεί να εκφραστεί μέσω της P-f χαρακτηριστικής στατισμού, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.9α f mi = f K pi ΔP i (2.29) όπου f mi και f είναι η μετρούμενη και η ονομαστική συχνότητα αντίστοιχα, K pi είναι ο συντελεστής στατισμού (droop) και ΔP i η διαφορά μεταξύ της ενεργού ισχύος εξόδου και του σημείου ρυθμίσεως αυτής για κάθε μονάδα μικροπαραγωγής i = 1,2,, λ, με λ να είναι ο συνολικός αριθμός των μονάδων μικροπαραγωγής. Εικόνα 2.9: Στρατηγική ελέγχου στατισμού για AC μικροδίκτυο α) P - f χαρακτηριστική στατισμού β) Q- V χαρακτηριστική στατισμού [2.1] Οι διαφορές στους συντελεστές στατισμού επιτρέπουν τον καταμερισμό των απαιτήσεων του φορτίου σε ισχύ μεταξύ των μονάδων μικροπαραγωγής με βάση την ονομαστική εγκατεστημένη ισχύ κάθε μονάδας. Οι ρυθμίσεις τάσης και συχνότητας είναι απαραίτητες για την τοπική αξιοπιστία κι ευστάθεια. Χωρίς τοπικό έλεγχο τάσης τα συστήματα με υψηλή διείσδυση μικροπαραγωγών υπόκεινται σε ταλαντώσεις υπέρτασης ή/κι άεργου ισχύος. Μικρά σφάλματα στις τιμές ρύθμισης της τάσης προκαλούν ρεύματα τα οποία μπορεί να υπερβούν τις ονομαστικές τιμές της μονάδας κατανεμημένης παραγωγής. Το γεγονός αυτό δημιουργεί την απαίτηση για έναν ελεγκτή στατισμού τάσης - άεργου ισχύος έτσι ώστε η παραγόμενη,από τις μικροπαραγωγές, άεργος ισχύς παρουσιάζει χωρητική ή επαγωγική συμπεριφορά ανάλογα με το πλάτος της τάσης αναφοράς, ακολουθώντας την Q-V χαρακτηριστική στατισμού (εικόνα 2.9β). 52

Η σχέση αυτή αναπαρίσταται από την εξίσωση: V mi = V K vi ΔQ i (2.30) όπου V mi και V είναι η μετρούμενη κι η ονομαστική τάση αντίστοιχα, K vi είναι ο συντελεστής στατισμού (droop) και ΔQ i η διαφορά μεταξύ της άεργου ισχύος εξόδου και του σημείου ρυθμίσεως αυτής για κάθε μονάδα μικροπαραγωγής i = 1,2,, λ, με λ να είναι ο συνολικός αριθμός των μονάδων μικροπαραγωγής. Κατά την αυτόνομη λειτουργία προβλήματα από ελάχιστα σφάλματα στη συχνότητα κάθε συζευγμένου αντιστροφέα και την ανάγκη για αλλαγή των σημείων λειτουργίας ώστε να επιτυγχάνεται η κάλυψη του φορτίου οδηγούν στην ανακατασκευή των στρατηγικών ελέγχου. Τέτοια προβλήματα μπορούν να επιλυθούν αποτελεσματικά μέσω των χαρακτηριστικών στατισμού ενεργού ισχύος - συχνότητας για κάθε μονάδα κατανεμημένης παραγωγής χωρίς να απαιτείται κάποιο δίκτυο επικοινωνίας. Για τη διατήρηση των μεταβολών τάσης και συχνότητας εντός συγκεκριμένων ορίων οι συντελεστές στατισμού (droop) προσαρμόζονται αυτόματα, λαμβάνοντας τιμές για κλίσεις περισσότερο απότομες. Ωστόσο, με τη διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται ο ακριβής καταμερισμός φορτίου μεταξύ των μονάδων μικροπαραγωγής. Εναλλακτικά, οι προαναφερθείσες χαρακτηριστικές στατισμού (εξ. 2.29, 2.30) είναι δυνατόν να βελτιωθούν επιπλέον με επιπρόσθετα χαρακτηριστικά, όπως επιπρόσθετη απόσβεση κι ελαχιστοποίηση της επίδρασης της εμπέδησης της γραμμής. 2.6.2 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (DC MICROGRID) Γνωστή είναι η ύπαρξη συγκεκριμένων προβλημάτων σχετικών με τα μικροδίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως η ανάγκη για συγχρονισμό των πηγών κατανεμημένης παραγωγής, το ρεύμα εκκίνησης εξαιτίας των μετασχηματιστών, η ροή άεργου ισχύος, η ύπαρξη αρμονικών κι η ανισορροπία των τριών φάσεων. Επιπλέον, το αυξημένο ενδιαφέρον για μονάδες κατανεμημένης παραγωγής συνεχούς ρεύματος, όπως οι συστοιχίες φωτοβολταϊκών πλαισίων, οι κυψέλες καυσίμου και τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, ενθαρρύνουν τη δυνατότητα ανάπτυξης μικροδικτύων συνεχούς ρεύματος. Η στρατηγική ελέγχου για μικροδίκτυα συνεχούς ρεύματος συνήθως αφορά σε: α) έλεγχο ομαλής εκκίνησης (soft - start) β) εξωτερικό ελεγκτή για την αποκατάσταση της τάσης στο εσωτερικό του συστήματος συνεχούς ρεύματος γ) ρύθμιση ρεύματος/ροής ισχύος από/προς μια στιβαρή πηγή συνεχούς ρεύματος, η οποία μπορεί να είναι ένα DC δίκτυο συνεχούς τάσης ή ένας μετατροπέας ισχύος DC/ ΑC συνδεδεμένος στο ΑC δίκτυο. Αντιθέτως με τα ΑC μικροδίκτυα, ο έλεγχος των DC μικροδικτύων είναι πολύ απλούστερος δεδομένου πως δεν υπάρχει άεργος ισχύς κι η μόνη μεταβλητή ελέγχου είναι το πλάτος της τάσης. Στην περίπτωση αυτή η ενεργός ισχύς δεν εξαρτάται πλέον από τη συχνότητα του συστήματος, αλλά από τη διαφορά της τάσης. 53

Η ενεργός ισχύς καταμερίζεται στις μονάδες μικροπαραγωγής του μικροδικτύου, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.10, με τη βοήθεια των χαρακτηριστικών στατισμού V DCi = V DC β vi ΔP i (2.31) όπου β vi είναι ο συντελεστής στατισμού που αναπαριστά την κλίση της προηγούμενης χαρακτηριστικής στατισμού, ΔP i είναι η διαφορά μεταξύ της στιγμιαίας ενεργού ισχύος και του αντίστοιχου σημείο ρυθμίσεως ενεργού ισχύος, και V DCi και V DC είναι η μετρούμενη τάση κι η τιμή αναφοράς της, ενώ i = 1,2,, λ, με λ να είναι ο συνολικός αριθμός των μονάδων μικροπαραγωγής. Ο συντελεστής β vi θα πρέπει να ρυθμιστεί κατάλληλα σύμφωνα με τις δεδομένες ονομαστικές τιμές των μικροπαραγωγών και τις συνθήκες λειτουργίας ώστε να επιτευχθεί καλύτερος καταμερισμός ισχύος. Ωστόσο, ευρύτερες μεταβολές είναι πιθανό να οδηγήσουν εκτός των προκαθορισμένων ορίων. Εικόνα 2.10: Στρατηγική ελέγχου στατισμού για DC μικροδίκτυο [2.1] 54

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2.1 J. J. Justo, F. Mwasilu, J. Lee, J.-W. Jung, "AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews 24 (2013) 387 405 2.2 M. A. Hassan, and M. A. Abido, "Optimal Design of Microgrids in Autonomous and Grid- Connected Modes Using Particle Swarm Optimization", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 3, March 2011, pp.755-769 2.3 S. Barsali, M. Ceraolo, P. Pelacchi, D. Poli, "Control techniques of Dispersed Generators to improve the continuity of electricity supply", Power Eng. Soc. Winter Meeting, vol. 2, 27-31 Jan, 2002 2.4 "Droop Control - Open Electrical", http://www.openelectrical.org/wiki/index.php?title=droop_control 2.5 Γ. Κ. Κωνσταντόπουλος, "Ανάλυση και έλεγχος ολοκληρωμένων συστημάτων μετατροπέων ισχύος ηλεκτρικών μηχανών με εφαρμογές στην ηλεκτροκίνηση και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας", Διδακτορική Διατριβή, 2012 2.6 Ε. Τατάκης, Α. Αλεξανδρίδης, Τ. Καππάτου, Ε. Μητρονίκας, "Μετατροπείς πηγής τάσης, αλληλεπίδραση με το δίκτυο, μέθοδοι ελέγχου τους", Διαλέξεις μαθήματος 2.7 N. Mohan, T. M. Underland and W. P. Robbins, "Power Electronics, Inverters, Applications and Design", 3rd edition, Mc Graw Hill, 2009 2.8 N. Α. Βοβός, "Εξελιγμένα Δίκτυα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας", Διαλέξεις μαθήματος 2.9 http://www.eetasia.com/art_8800373659_499495_np_a7999250.htm 2.10 Teodorescu R.Lissere M. Rodriguez P. (2011), "Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power System", IEEE Press ebook Chapters 2.11 Α. Αλεξανδρίδης, "Τεχνολογίες ελέγχου στα αιολικά συστήματα", Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, (2013) 55

56

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΥΟ ΜΙΚΡΟΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΜΕ ΔΙΕΠΑΦΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΑΤΙΣΜΟΥ (DROOP) ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα συμβατικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας η τεχνική ελέγχου στατισμού χρησιμοποιείται για να επιτευχθεί ο καταμερισμός φορτίου μεταξύ των διαφόρων πηγών ενέργειας. Με τη μέθοδο αυτή αντισταθμίζονται οι ανισορροπίες ενεργού κι άεργου ισχύος με την προσαρμογή της τάσης και συχνότητας στην έξοδο κάθε μονάδας παραγωγής. Όπως έχει διασαφηνιστεί στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι βρόχοι ελέγχου στατισμού P - f ή P - ω και Q - V χρησιμοποιούνται για δεκαετίες στις σύγχρονες γεννήτριες. Παρόμοιες τεχνικές ελέγχου έχουν μελετηθεί και μοντελοποιηθεί στο d-q πλαίσιο αναφοράς για έναν απομονωμένο τριφασικό αντιστροφέα. Ο έλεγχος εφαρμόζεται στο μη γραμμικό μοντέλο του αντιστροφέα κι η μεταβατική απόκριση του αντιστροφέα προσομοιώνεται μέσω της διείσδυσης φορτίου. Τέλος, πρέπει να υπενθυμιστεί ότι ο μετασχηματισμός Park στο d-q πλαίσιο αναφοράς έχει τη δυνατότητα να προσφέρει αποσυζευγμένους ελέγχους μεταξύ ενεργού κι άεργου ισχύος γεγονός που τον κάνει να χρησιμοποιείται σε βρόχους ελέγχου. 3.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Το υπό εξέταση σύστημα του απομονωμένου αντιστροφέα φαίνεται στην εικόνα 3.1. Εικόνα 3. 1: Αυτόνομο μικροδίκτυο υπό εξέταση [3.1] Ο αντιστροφέας συνδέεται στο ζυγό μέσω ενός φίλτρου, καθώς και μεταβλητά παθητικά φορτία συνδέονται επίσης στο ζυγό. Το σύστημα που περιγράφεται μπορεί να λειτουργήσει είτε διασυνδεδεμένο με το δίκτυο είτε ως αυτόνομο σύστημα. Στην αυτόνομη λειτουργία ο αντιστροφέας ελέγχεται μέσω τεχνικών στατισμού (droop). Το σχήμα ελέγχου ενός αυτόνομου αντιστροφέα απεικονίζεται στο σχήμα 3.2. 57

Εικόνα 3.2: Στρατηγική ελέγχου μιας αυτόνομης μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής [3.2] Η έξοδος του αντιστροφέα φιλτράρεται με τη βοήθεια ενός LC φίλτρου ώστε να απορριφθούν η επίδραση των διακοπτικών φαινομένων υψηλής συχνότητας. Οι φιλτραρισμένες μετρήσεις τάσης και συχνότητας μετατρέπονται σε ποσότητες του d-q πλαισίου αναφοράς, με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Park. Η ισχύς εξόδου του αντιστροφέα υπολογίζεται βάσει αυτών των μετρήσεων. Η υπολογιζόμενη ισχύς, η οποία φιλτράρεται με τη βοήθεια κατωδιαβατού φίλτρου, οδηγείται στους ελεγκτές στατισμού που "γεννούν" τα σήματα αναφοράς για την τάση και τη συχνότητα. Εκτός από τη συχνότητα, ο βρόχος P - f ή P - ω δίνει επίσης και τη γωνία αναφοράς. Όλες οι μετατροπές μεταξύ abc και d-q πλαισίου αναφοράς γίνονται χρησιμοποιώντας αυτή τη γωνία αναφοράς. Οι τιμές αναφοράς τάσης και συχνότητας συγκρίνονται με τις αντίστοιχες μετρούμενες τιμές. Η μέτρηση της συχνότητας επιτυγχάνεται με την παρακολούθηση της συχνότητας με τη βοήθεια ενός PLL (Phase- Locked Loop) στο d-q πλαίσιο αναφοράς και θέτοντας την τάση του άξονα d ή q στο μηδέν. Οι τιμές των σφαλμάτων, οι οποίες προκύπτουν από τη σύγκριση των τιμών αναφοράς με τις μετρούμενες, οδηγούμενες σε PI ελεγκτές "γεννούν" τις αναφορές των ρευμάτων για τους άξονες d και q που ρέουν μέσω του πηνίου του φίλτρου στην έξοδο του αντιστροφέα. Αυτά τα σήματα αναφοράς των ρευμάτων αφού συγκριθούν τις αντίστοιχες μετρούμενες τιμές ρευμάτων στην έξοδο του φίλτρου οδηγούνται σε ένα άλλο μπλοκ PI ελεγκτών από το οποίο παράγονται οι αναφορές των τάσεων για τους άξονες d και q. Αυτές οι τιμές των τάσεων εμφανίζονται στην είσοδο του LC φίλτρου. Ένα πηνίο σύζευξης χρησιμοποιείται μετά το φίλτρο για τη σύνδεση του αντιστροφέα στο ζυγό. Επιπλέον, μια αντίσταση σε σειρά με έναν πυκνωτή διασφαλίζει τη σωστή απόσβεση της συχνότητας συντονισμού που σχετίζεται με την έξοδο του φίλτρου. Όλοι οι ελεγκτές και τα φίλτρα μοντελοποιούνται στο πλαίσιο αναφοράς του αυτόνομου αντιστροφέα που ορίζεται με βάση τη συχνότητα αναφοράς που προκύπτει από το βρόχο ελέγχου στατισμού P - ω. Η δυναμική συμπεριφορά του αντιστροφέα επηρεάζεται από την 58