ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ Σχήμα. Σύστημα σφονδύλου (πειραματική ανάπτυξη από τη NASA) ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΑΥΤΟΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΑΝΑΣΤΑΣΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΕΜ:5686 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΧΑΡΗΣ ΔΗΜΟΥΛΙΑΣ - ΛΕΚΤΟΡΑΣ

1 Πρόλογος Στο σημείο αυτό θα ήθελα να αναφερθώ στα εξής: Η παρούσα εργασία αποτέλεσε το αντικείμενο της διπλωματικής μου διατριβής, με την οποία και ασχολήθηκα για χρονικό διάστημα 5 μηνών. Κατά τη διάρκεια αυτού του διαστήματος και για ένα μήνα περίπου, υπήρξε παύση της ενασχόλησης μου, εξαιτίας ανεπάρκειας που διαπίστωσα - σε συνεργασία με τον καθηγητή μου κ. Χάρη Δημουλιά στο κώδικα του προγράμματος PSIM, με το οποίο προσομοιώθηκε η λειτουργία αυτοδιέγερσης μιας ασύγχρονης επαγωγικής μηχανής, όπως αυτή χρησιμοποιείται σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο. Ύστερα από επικοινωνία με την κατασκευάστρια εταιρία του προγράμματος- η οποία και εδρεύει στην Αμερική- έγινε δυνατή η διόρθωση του κώδικα και επομένως, η συνέχιση της εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου κ. Χάρη Δημουλιά για την άψογη συνεργασία που είχαμε, καθώς και για την αμέριστη συμπαράσταση και βοήθεια που μου προσέφερε καθ όλο τον καιρό που διήρκησε η διπλωματική.

2 Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 5 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ 1.1ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 1.2 ΣΦΟΝΔΥΛΟΙ 5 1.3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ 6 1.3.1 ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ FESS 6 1.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ FESS 9 1.5 ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΩΝ FESS ΣΤΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 12 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ (FESS) 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 12 2.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 12 2.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 16 2.3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ-ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ 16 2.3.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 23 ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 23 3.2 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ 24 3.2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 24 3.2.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 28 3.3 ΣΥΝΔΕΣΗ FESS ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 31 3.3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ-ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ 31 3.3.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 44 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 4.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 44 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 45

3 Εισαγωγή Σε μια εποχή όπου οι ενεργειακές ανάγκες για την κάλυψη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων διογκώνονται ολοένα και περισσότερο και που η απαίτηση για καθαρότερη και πιο αξιόπιστη παροχή ενέργειας γίνεται ολοένα και πιο επιτακτική, η εκμετάλλευση νέων μορφών ενέργειας και η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών παραγωγής και αποθήκευσης, έρχονται να λύσουν το σύγχρονο ενεργειακό πρόβλημα. Αποτέλεσμα της αντιμετώπισης του προβλήματος ήταν η σταδιακή αποκέντρωση της παραγωγής από τις μεγάλες συγκεντρωμένες μονάδες προς ένα πιο διανεμημένο τρόπο παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τεχνολογίες των μονάδων της διανεμημένης παραγωγής αξιοποιούν είτε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, είτε τις συμβατικές και περιλαμβάνουν μικρές μηχανές εσωτερικής καύσης, μικρούς αεροστροβίλους, μικροστροβίλους, κυψέλες καυσίμου, φωτοβολταικά συστήματα, μικρές ανεμογεννήτριες, μικρούς υδροστρόβιλους, μικρές μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, γεωθερμία, ενέργεια ωκεανών, βιομάζα, κ.α. Ωστόσο, τα προβλήματα διαθεσιμότητας καυσίμου για την περίπτωση μονάδων που χρησιμοποιούν τις ανανεώσιμες πηγές (όπως η ηλιακή ακτινοβολία, ο άνεμος, το νερό, κτλ) και η ανάγκη για αδιάλειπτη παραγωγή που θα μπορεί να ανταποκρίνεται στις συνεχείς διακυμάνσεις του φορτίου - ρύθμιση συχνότητας 1 - κατέστησαν αναγκαία την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. Προς το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μια σειρά τεχνολογιών αποθήκευσης, όπου η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί με διάφορες μορφές όπως : Σε ηλεκτρική μορφή συνεχούς ρεύματος σε μια συστοιχία ηλεκτρικών συσσωρευτών(μπαταρίες). Υπό μορφή πεπιεσμένου αέρα ή αερίου γενικότερα σε αεριοφυλάκιο. Σε υδραυλική μορφή υπό τη μορφή ποσότητας νερού που αντλείται από μια χαμηλότερη στάθμη σε μια υψηλότερη. Σε μηχανική μορφή υπό τη μορφή κινητικής ενέργειας σε σφόνδυλο. Η τελευταία αυτή περίπτωση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο (FESS 2 ), αλλά και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η αξιοποίηση τους στο δίκτυο, αποτελεί το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στην οποία θα γίνει η μοντελοποίηση ενός τέτοιου συστήματος, μέσω της αυτοδιέγερσης των ασύγχρονων επαγωγικών μηχανών. Πιο συγκεκριμένα, στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην αρχή λειτουργίας των σφονδύλων, όπου περιγράφονται τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιεί σφόνδυλο, καθώς επίσης αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των σφονδύλων, ενώ τέλος γίνεται μια σύντομη αναφορά στην συμμετοχή τους στην ρύθμιση της συχνότητας. 1 Παρακάτω στη παράγραφο 1.5 γίνεται αναφορά για την ρύθμιση συχνότητας (frequency regulation) και πώς αυτή πετυχαίνεται μέσω των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο. 2 Flywheel Energy System Storage (Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με φορτίο σφόνδυλο)

4 Στο 2 ο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η περιγραφή και η ανάλυση του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του σφονδύλου. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η λειτουργία αυτοδιέγερσης των επαγωγικών μηχανών (οι οποίες αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα των FESS), επίσης ο τρόπος με τον οποίο αυτή επιτυγχάνεται μέσω χωρητικής αντιστάθμισης. Ακόμη, αναλύεται η συμπεριφορά του μοντέλου στις τρείς πιθανές καταστάσεις λειτουργίας 3 στις οποίες μπορεί να βρεθεί το FESS. Στο 3 ο κεφάλαιο, υλοποιείται η σύνδεση του FESS με το δίκτυο. Αρχικά, μοντελοποιούνται τα ηλεκτρονικά ισχύος και εν συνεχεία γίνεται διερεύνηση της συμπεριφοράς της αυτοδιεγειρούμενης μηχανής κατά τη συνεργασία του συστήματος αποθήκευσης με τους μετατροπείς ισχύος στις τρείς πιθανές καταστάσεις λειτουργίας. Τέλος, στο 4 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, οι παρατηρήσεις, καθώς γίνεται και σύντομος απολογισμός των όσων διαπιστώθηκαν, απόρροια της προσομοίωσης των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν. 3 Φόρτιση - Σταθεροποίηση - Εκφόρτιση

5 Κεφάλαιο 1 ο (Flywheel energy storage systems FESS) ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ 1.1 Εισαγωγή 2 Η αρχή σύμφωνα με την οποία μια μάζα με αδράνεια J ( kg m ), που περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της με γωνιακή ταχύτητα ω ( rad / sec ), αποκτά κινητική ενέργεια Ε ( Joule ) της μορφής : E 1 2 2 = Jw (1.1),αποτέλεσε την βασική ιδέα ανάπτυξης των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με τη χρήση του σφονδύλου. Η ενέργεια αποθηκεύεται μηχανικά, υπό μορφή κινητικής ενέργειας, μέσω της περιστροφής του σφονδύλου γύρω από τον άξονά του. 1.2 Σφόνδυλοι (Flywheels) Ο σφόνδυλος στην πιο απλή του μορφή που χρησιμοποιείται σε μηχανές είναι ένας μεγάλος τροχός με όλη του τη μάζα συγκεντρωμένη στην περιφέρεια. Αυτό βοηθά να έχουν όλα τα σημεία του την ίδια και μάλιστα μεγάλη ροπή αδράνειας. Αποτελεί το κινητό μέρος των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας - ουσιαστικά την περιστρεφόμενη μάζα - η μεγάλη αδράνεια του οποίου χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της ενέργειας σύμφωνα με τη σχέση (1.1). Όπως χρησιμοποιείται στα συστήματα αυτά είναι κυλινδρικού σχήματος, συμπαγές ή κούφιο. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των σφονδύλων και ταυτόχρονα βασικό πλεονέκτημα τους, αποτελεί η ικανότητα τους να αντιστέκονται στις μεταβολές τις περιστροφικής τους ταχύτητας, λόγω της μεγάλης τους αδράνειας. Η ιδιότητα αυτή συμβάλει στο να διατηρούν την περιστροφική-κινητική τους ενέργεια για μεγάλα χρονικά διαστήματα, καθιστώντας τους ιδανικό εξάρτημα για οποιαδήποτε σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Παρακάτω στο σχήμα 1 φαίνεται ένα τυπικό παράδειγμα σφονδύλου με όλα τα χαρακτηριστικά που προαναφέρθηκαν, έχοντας τον άξονα στον οποίο συνδέεται η κινητήριος μηχανή ελεύθερο.

6 Σχήμα 1.1. Σφόνδυλος 1.3 Συστήματα Αποθήκευσης Ενέργειας με Σφόνδυλο (FESS) Είναι τα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούν το σφόνδυλο για την αποθήκευση ενέργειας. Στηρίζονται στην επιτάχυνση του σφονδύλου σε πολύ υψηλή ταχύτητα, ώστε εκμεταλλευόμενοι τα πλεονεκτήματα που προαναφέρθηκαν, να αποθηκεύεται ενέργεια της μορφής (1.1) συντηρούμενη από την αδράνεια του σφονδύλου. Όταν απορροφάται ενέργεια από το σύστημα αποθήκευσης, η περιστροφική ταχύτητα του σφονδύλου ελαττώνεται, ως αποτέλεσμα της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Αντίθετα, όταν προστίθεται ενέργεια στο σύστημα ο σφόνδυλος επιταχύνει. Τα περισσότερα συστήματα FESS χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια για να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν το σφόνδυλο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται μια ηλεκτρική μηχανή ο δρομέας της οποίας συνδέεται με το σφόνδυλο. Όταν υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας από το δίκτυο, τότε αυτή αποθηκεύεται στο σύστημα μέσω της επιτάχυνσης του σφονδύλου από τον κινητήρα. Ενώ, στην αντίθετη περίπτωση που η υπάρχουσα διαθέσιμη ισχύς του δικτύου δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου, η διαφορά καλύπτεται από το σύστημα αποθήκευσης, το οποίο λειτουργεί αντίστροφα, με το σφόνδυλο να λαμβάνει τώρα το ρόλο του κινητήρα και την ηλεκτρική μηχανή να λειτουργεί ως γεννήτρια. Καθ όλη την διάρκεια αυτή ο σφόνδυλος επιβραδύνεται. 1.3.1 Κύρια Μέρη Συστημάτων FESS Τα κυριότερα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο είναι τα παρακάτω : Ηλεκτρική Μηχανή. Πρόκειται για το ηλεκτρικό μέρος του συστήματος. Χρησιμοποιείται για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε κινητική-

7 περιστροφική ενέργεια του σφονδύλου, όταν η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας και αντιστρόφως όταν αυτή λειτουργεί ως γεννήτρια. Θεωρητικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε τύπος μηχανής. Πρακτικά όμως στους μεγάλους και αργούς σφονδύλους χρησιμοποιούνται οι ασύγχρονες επαγωγικές μηχανές, ενώ στους μικρότερους και ταχύτερους ιδανικές είναι εκείνες του μόνιμου μαγνήτη. Περιστρεφόμενη Μάζα. Είναι ο σφόνδυλος με όλα τα χαρακτηριστικά που προαναφέρθηκαν στην παράγραφο 1.2. Ο σφόνδυλος συνδέεται με το δρομέα της ηλεκτρικής μηχανής και θεωρείται ουσιαστικά η συνέχεια του. Ρουλεμάν. Κατά κόρον χρησιμοποιούνται μαγνητικά ρουλεμάν -αντί μηχανικών- για την στήριξη των αξόνων του δρομέα της μηχανής και του σφονδύλου. Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνεται η ελαχιστοποίηση των τριβών. Θάλαμος Κενού. Ο σφόνδυλος μαζί με τα μαγνητικά ρουλεμάν τοποθετούνται σε ένα θάλαμο κενού αέρα για την μεγαλύτερη δυνατή μείωση των τριβών. Αποτέλεσμα αυτής της κατασκευής είναι η περιστροφή του σφονδύλου σε εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες, οι οποίες πρακτικά αγγίζουν τις 20000 με 50000 rpm. Ηλεκτρονικά Ισχύος. Είναι οι διακοπτικές διατάξεις ελέγχου τις ροής της ισχύος. Αποτελούνται από δύο τριφασικούς μετατροπείς διακοπτικού τύπου των οποίων οι ρόλοι (ανόρθωση-αντιστροφή) εναλλάσσονται ανάλογα με τη ροή της ισχύος (φόρτιση ή εκφόρτιση του συστήματος αποθήκευσης). Οι τριφασικές γέφυρες αυτών των μετατροπέων αποτελούνται από το συνδυασμό IGBT s και διόδων, ενώ ο έλεγχος των διακοπτών (ON-OFF) γίνεται με διαμόρφωση εύρους παλμών και συγκεκριμένα στο μοντέλο που ακολουθείται εδώ μέσω ημιτονοειδούς διαμόρφωσης PWM. Διάταξη Ελέγχου. Πρόκειται για τη διάταξη που καθορίζει τη ροή της ισχύος, δηλαδή τη φόρτιση ή την εκφόρτιση του συστήματος αποθήκευσης, στέλνοντας τα κατάλληλα σήματα ελέγχου στους μετατροπείς, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο. Τέλος, πρέπει να αναφερθεί ότι ολόκληρο το σύστημα τοποθετείται μέσα σε ένα δοχείο με κατάλληλα διακοπτικά μέσα και ανεμιστήρες για ασφαλή λειτουργία. Στα παρακάτω σχηματικά διαγράμματα - σχήματα 1.2(α) και 1.2(β) - απεικονίζονται τα τμήματα από τα οποία αποτελείται ένα τυπικό σύστημα FESS, σε οριζόντια κατασκευή για μέγιστη απόδοση. Στο σχήμα 1.3 φαίνεται επίσης μια διαφορετική υλοποίηση ενός συστήματος FESS, όπου ο σφόνδυλος περιστρέφεται, αντί ηλεκτρικής, μέσω ντηζελογεννήτριας.

8 Σχήμα 1.2(α). Κύρια μέρη συστήματος FESS Σχήμα 1.2(β). Κύρια μέρη συστήματος FESS

9 Σχήμα 1.3. Σύστημα FESS με ντηζελογεννήτρια: Power generating unit is composed of a fuel tank (1), of a diesel engine (2), of a clutch (3), of a of an energy storage flywheel(4), of a ball bearing (5), of an alternator (6), of a vacuum casing (7), of an inverter (8), vibration isolation (9) and soundproofing (10). 1.4 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα των FESS Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα των FESS είναι η μεγάλη ισχύς εξόδου τους. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο σφόνδυλος και όσο πιο μεγάλη είναι η ροπή αδράνειας του, τόσο πιο μεγάλη θα είναι και η συνολική διαθέσιμη αποθηκευμένη ενέργεια του συστήματος σύμφωνα πάντα με τη σχέση (1.1). Οι σφόνδυλοι δεν επηρεάζονται από αλλαγές τις θερμοκρασίας, όπως αλλά συστήματα ενέργειας (μπαταρίες). Ακόμη δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον καθώς λειτουργούν ως ανακυκλωτές ενέργειας και όχι ως παραγωγοί. Προς αυτή την κατεύθυνση συμβάλλουν και τα υλικά κατασκευής των σφονδύλων τα οποία προέρχονται από αδρανή υλικά. Ένα άλλο πλεονέκτημα αποτελεί η μακρά διάρκεια ζωής αυτών των συστημάτων. Βασικό όριο στο σχεδιασμό των σφονδύλων αποτελεί η αντοχή σε εφελκυσμό του υλικού που χρησιμοποιείται για το δρομέα. Όσο πιο ισχυρός είναι ο σφόνδυλος, τόσο πιο γρήγορα θα μπορεί να περιστρέφεται και επομένως τόσο περισσότερη

10 ενέργεια θα αποθηκεύεται. Υπέρβαση της αντοχής του σφονδύλου σε εφελκυσμό θα οδηγήσει σε θρυμματισμό του σφονδύλου, λόγω της ξαφνικής εκτόνωσης της αποθηκευμένης ενέργειας του. Τα θραύσματα από την έκρηξη του σφονδύλου αποκτούν κινητική ενέργεια αντίστοιχη μιας σφαίρας. Επομένως, το όλο σύστημα θα πρέπει φυλάσσεται μέσα σε ισχυρά δοχεία συγκράτησης ως προφύλαξη ασφαλείας, γεγονός που αυξάνει τη συνολική μάζα και επομένως το βάρος του συστήματος. Ο χρόνος στο οποίο αδειάζει ένα σύστημα σφονδύλου από ενέργεια αποτελεί ένα ακόμη μειονεκτικό παράγοντα. Τα σύγχρονα συστήματα σφονδύλου χάνουν το 20 50 % της ενέργειας τους μέσα σε 2 ώρες. Τέλος, το υψηλό κόστος και η ανάγκη για βελτίωση σε τμήματα των FESS, όπως πιο εξελιγμένα μαγνητικά ρουλεμάν, αποτελούν επίσης σημαντικό πρόβλημα. 1.5 Χρησιμότητα των FESS στη ρύθμιση της ποιότητας της τάσης του δικτύου Σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο, είτε αυτό είναι ένα ισχυρά διασυνδεδεμένο δίκτυο είτε είναι αυτόνομο, σε κάθε χρονική στιγμή πρέπει να ικανοποιείται το ισοζύγιο της ισχύος. Πιο συγκεκριμένα η ισχύς που απορροφάται από τους καταναλωτές, δηλαδή το φορτίο, πρέπει να είναι σε κάθε χρονική στιγμή ίση - με μικρές αποκλίσεις προς αυτή που παράγουν οι σταθμοί παραγωγής (θερμικοί, υδροηλεκτρικοί, κλπ). Η χρονική διακύμανση του φορτίου είναι σχετικά προβλέψιμη ώστε να προσαρμόζεται η παραγωγή ηλεκτρική ισχύος. Για τεχνικούς λόγους και σε περιόδους χαμηλού φορτίου, οι μεγάλοι θερμικοί σταθμοί δεν μπορούν να μειώσουν την παραγωγή τους κάτω από ένα ελάχιστο τεχνικό όριο, οπότε τις χρονικές αυτές περιόδους φαίνεται να περισσεύει ισχύς στο δίκτυο. Ανάλογα, σε περιόδους υψηλού φορτίου, οι θερμικοί σταθμοί δεν μπορούν να ανταποκριθούν γρήγορα αυξάνοντας την ισχύ τους, με συνέπεια να έχουμε έλλειμμα ισχύος. Ακόμη, στην προσπάθεια τους να ακολουθήσουν το φορτίο οι θερμικοί σταθμοί καταναλώνουν μεγάλα ποσά καυσίμου, εκπέμποντας μεγαλύτερα ποσά αερίων του θερμοκηπίου, όπως το CO 2. Αναπόφευκτα, το αποτέλεσμα της αδράνειας του συστήματος να ανταποκριθεί στις μεταβολές του φορτίου, είναι η διακύμανση της συχνότητας της τάσης του δικτύου κάθε φορά που υπάρχει απόκλιση στο ισοζύγιο της ισχύος. Στη μεγέθυνση του προβλήματος συμβάλει και η αύξηση της συμμετοχής των αιολικών πάρκων στην παραγωγή, λόγω της έντονης χρονικής διακύμανσης που παρουσιάζει η ηλεκτρική ισχύς που προέρχεται από αυτά. Η ανάγκη για αξιόπιστη παροχή τάσης (σε μέτρο και συχνότητα) καθιστά αναγκαία την αποθήκευση της ενέργειας και σ αυτό το σημείο σημαντικό ρόλο έρχονται να λάβουν τα συστήματα των σφονδύλων, σε συνδυασμό με τα υπάρχοντα συστήματα αποθήκευσης(π.χ. υδροηλεκτρικά εργοστάσια με ανάντη και κατάντη δεξαμενές, κτλ). Όταν παρουσιάζονται αιχμές φορτίου που ξεπερνούν την διαθέσιμη εκείνη την ώρα ισχύ (στο σχήμα 1.4 τα κόκκινα εμβαδά), η συχνότητα του δικτύου τείνει να μειωθεί, καθώς οι γεννήτρες επιβραδύνουν κάτω από την επίδραση του φορτίου. Τα συστήματα FESS καλύπτουν την διαφορά, απελευθερώνοντας την

11 προϋπάρχουσα αποθηκευμένη ενέργεια, συμβάλλοντας έτσι στη ρύθμιση της συχνότητας του δικτύου. Ανάλογα, όταν το φορτίο πέσει κάτω από τα παραγόμενα επίπεδα -κυρίως τις βραδινές ώρες- (στο σχήμα 1.4 τα πράσινα εμβαδά), γεγονός που οδηγεί σε επιτάχυνση των γεννητριών και αύξηση της συχνότητας, τότε η περίσσια ενέργειας είναι δυνατό να αποθηκεύεται ως περιστροφική ενέργεια στους σφονδύλους των FESS προκειμένου να χρησιμοποιηθεί αργότερα. Ο μικρός χρόνος απόκρισης των FESS στη ρύθμιση της συχνότητας τα καταστεί κυρίαρχο μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Τα FESS δηλαδή λειτουργούν ως ανακυκλωτές της ενέργειας του δικτύου και όχι ως παραγωγοί. Σχήμα 1.4. Μπλε γραμμή: τμήμα της ημερήσιας καμπύλης φορτίου Πορτοκαλί γραμμή: διακυμάνσεις-αιχμές στη ζήτηση φορτίου

12 Κεφάλαιο 2 ο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ (FESS) 2.1 Εισαγωγή Στον κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται το μοντέλο με το οποίο προσομοιώνεται ένα σύστημα FESS. Πιο αναλυτικά, περιγράφονται οι τρείς πιθανές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί το σύστημα αποθήκευσης και συγκεκριμένα οι καταστάσεις της φόρτισης, της σταθεροποίησης (steady state) και τέλος της εκφόρτισης. Η υλοποίηση του μοντέλου του σφονδύλου πραγματοποιήθηκε στο πρόγραμμα PSIM, της εταιρίας PowerSys. 2.2 Περιγραφή του Μοντέλου Για την ανάλυση και την προσομοίωση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκε το γενικό κύκλωμα που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.1. Το κύκλωμα αυτό ουσιαστικά αποτελεί την μικρογραφία ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο. Σχήμα 2.1. Μοντέλο σφονδύλου

13 Πιο συγκεκριμένα, το μοντέλο αποτελείται από : α) Το δίκτυο, συχνότητας f=50hz, πολικής τάσης 400 V (rms τιμή). β) Μια ασύγχρονη, 6-πολική, επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού, με κορεσμό (Saturated Squirrel Cage Induction Machine) και στοιχεία υπό ονομαστικό φορτίο τα παρακάτω: Λειτουργία κινητήρα 231/400 V, 50 Ηz, 22 KW, 42,5 A, ολίσθηση 8%, συντελεστής ισχύος 0.86 Θεωρώντας ότι ο σφόνδυλος βρίσκεται σε θάλαμο με κενό αέρα και ότι έχουμε μαγνητικά ρουλεμάν, ο συντελεστής τριβών λαμβάνεται ίσος με μηδέν. Επιπλέον, υποθέτοντας ότι ο σφόνδυλος αποτελεί προέκταση του δρομέα της μηχανής και ένα με το δρομέα, η συνολική αδράνεια του συστήματος, με μηδενική αδράνεια 2 φορτίου, ισούται με εκείνη της μηχανής και ίση με 9,2 kg m (για τους λόγους αυτούς ο άξονας της μηχανής στο κύκλωμα είναι ελεύθερος - μηχανή εν κενό). Επομένως, σύμφωνα με τη σχέση 1.1 η συνολική ενέργεια που μπορεί να αποθηκεύσει το συγκεκριμένο σύστημα FESS είναι : ü n = 1000rpm Þ w = 104, 72 rad / sï 2 ï J = 9, 2Kg m ýþe= 50, 444 KJoule( KWs) 1 ï 2 E = Jw ï 2 þ Η καμπύλη μαγνήτισης της μηχανής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.2. Καμπύλη Μαγνήτισης Ροή μαγνήτισης Φ (Wb) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Ρεύμα Μαγνήτισης Im (A) Σχήμα 2.2. Καμπύλη μαγνήτισης

14 Η χρησιμοποίηση επαγωγικής μηχανής καθιστά αναγκαία την θεώρηση του μοντέλου με κορεσμό, προκειμένου να είναι δυνατή η αυτοδιέγερση της μηχανής, όταν αυτή λειτουργεί ως γεννήτρια κατά την εκφόρτιση του σφονδύλου. Οι επαγωγικές μηχανές στερούνται ξεχωριστού κυκλώματος διέγερσης στο δρομέα και έτσι δεν μπορούν να παράγουν άεργη ισχύ. Στην πραγματικότητα καταναλώνουν άεργη ισχύ και γ αυτό πρέπει να συνδέονται με μια εξωτερική πηγή άεργης ισχύος, ώστε να διατηρείται το μαγνητικό πεδίο του στάτη. Αυτή η πηγή άεργης ισχύος θα πρέπει να ρυθμίζει την τάση στα άκρα της μηχανής, όταν αυτή λειτουργεί ως γεννήτρια (αυτόνομη λειτουργία χωρίς το δίκτυο αυτοδιέγερση μηχανής). Επειδή δεν υφίσταται το ρεύμα διέγερσης - η επαγωγική γεννήτρια είναι ανίκανη να ρυθμίσει μόνη της την τάση εξόδου της. Κάτω από κανονικές συνθήκες η τάση της γεννήτριας διατηρείται από το εξωτερικό σύστημα ισχύος στο οποίο είναι συνδεδεμένη. Στην προκειμένη περίπτωση το ρόλο του κυκλώματος διέγερσης λαμβάνουν οι εξωτερικοί πυκνωτές C, που συνδέονται σε συνδεσμολογία αστέρα στους ακροδέκτες της ηλεκτρικής μηχανής. Όταν μια επαγωγική γεννήτρια ξεκινά την περιστροφή της, η παραμένουσα μαγνήτιση του κυκλώματος διέγερσής της παράγει κάποια μικρή τάση. Αυτή η τάση προκαλεί ένα χωρητικό ρεύμα που αυξάνει την τάση, που αυξάνει περισσότερο το χωρητικό ρεύμα και ούτω καθεξής μέχρι την ανάπτυξη της πλήρους τάσης. Αν στο δρομέα της επαγωγικής γεννήτριας δεν υπήρχε η αρχική παραμένουσα μαγνητική ροή, η αυτοδιέγερση της τάσης θα ήταν αδύνατη και η μηχανή θα έπρεπε αρχικά να λειτουργήσει ως κινητήρας, με σκοπό να αποκτήσει την αρχική φόρτιση. γ) Εξωτερικούς πυκνωτές αντιστάθμισης της άεργης ισχύος σε συνδεσμολογία αστέρα. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως για να παραχθεί ένα δεδομένο επίπεδο τάσης από μια επαγωγική γεννήτρια θα πρέπει οι εξωτερικοί πυκνωτές να παράγουν το αναγκαίο ρεύμα μαγνήτισης που αντιστοιχεί στο επίπεδο αυτό. Επειδή το χωρητικό ρεύμα που παράγει ένας πυκνωτής είναι ανάλογο της τάσης που εφαρμόζεται σε αυτόν (εδώ η τάση αυτή είναι η τάση εξόδου της μηχανής όταν αυτή λειτουργεί ως γεννήτρια), τα σημεία των πιθανών συνδυασμών τάσης και ρεύματος ενός πυκνωτή σχηματίζουν μια ευθεία. Επομένως, η τάση εξόδου της γεννήτριας, κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο, βρίσκεται στο σημείο τομής της καμπύλης μαγνήτισης με τη χαρακτηριστική φορτίου του πυκνωτή. Προφανώς για να υπάρχει μέτρο σύγκρισης μεταξύ χαρακτηριστικής πυκνωτή και καμπύλης μαγνήτισης, θα πρέπει ο άξονας μαγνητικής ροής της τελευταίας να μετασχηματιστεί σε άξονα τάσης. Αυτό γίνεται μέσω της σχέσης : Ε=cωΦ (2.1),όπου c (εδώ c=1) κατασκευαστική σταθερά της μηχανής, ω (=2πf) η κυκλική συχνότητα στα 50 Hz και Φ η ροή μαγνήτισης. Τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα 2.3. Τα σημεία τομής των ευθειών των πυκνωτών με την καμπύλη κορεσμού της μηχανής είναι τα σημεία λειτουργίας της επαγωγικής γεννήτριας, κατά τη λειτουργία εκφόρτισης του FESS.

15 Σημεία Τομής Χαρηκτηριστικής Πυκνωτών και Καμπύλης Μαγνήτισης 500 Φασική τάση στα άκρα της γεννήτριας (V) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 Ρεύμα Μαγνήτισης Im ή Χωρητικό Ic (A) Καμπύλη Μαγνήτισης Χαρακτηριστική Πυκνωτή C=0.222mF Χαρακτηριστική Πυκνωτή C=0.624mF Χαρακτηριστική Πυκνωτή C=0.174mF Σχήμα 2.3. Καμπύλη μαγνήτισης και χαρακτηριστικές πυκνωτών Από το παραπάνω σχήμα φαίνεται ότι ανάλογα με το μέγεθος του εκάστοτε πυκνωτή αντιστάθμισης παράγεται και ένα δεδομένο επίπεδο τάσης από τη γεννήτρια. Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η παραγόμενη τάση (σημείο τομής). Ενδεικτικά στον πίνακα 2.1 δίνονται τα πιθανά σημεία λειτουργίας της γεννήτριας για δεδομένες χωρητικότητες πυκνωτών. Προφανώς για την παραγωγή της τάσης του δικτύου (V πολική = 400V) από τη γεννήτρια, πρέπει να χρησιμοποιηθούν πυκνωτές χωρητικότητας 0.222mF. Χωρητικότητα C (mf) Πολική Τάση Στα Άκρα της Γεννήτριας (V) 0.139 100 0.15 200 0.174 300 0.191 350 0.222 400 0.382 450 0.624 500 0.928 550 Πίνακας 2.1.

16 δ) Αντιστάσεις σε συνδεσμολογία αστέρα. Οι αντιστάσεις αυτές λαμβάνουν ρόλο φορτίου για τη γεννήτρια, κατά την εκφόρτιση του σφονδύλου. Χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο για την προσομοίωση της λειτουργίας εκφόρτισης και για να δειχθεί ότι, όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο που βλέπει ο σφόνδυλος, τόσο πιο γρήγορα θα εκφορτιστεί. Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν αντικατοπτρίζουν το πραγματικό φορτίο που θα δει το σύστημα FESS και το οποίο περιλαμβάνει στο σύνολό του, τους μετατροπείς AC-DC, DC-AC και το δίκτυο.. Η σχέση η οποία διέπει την τριφασική ισχύ που καταναλώνουν οι αντιστάσεις δίνεται ως: 2 P = 3 V (2.2) R,όπου V η φασική τάση (231 V) και R η τιμή της αντίστασης σε Ωhm. Είναι προφανές ότι μεγάλο φορτίο σημαίνει μικρή τιμή της αντίστασης R. ε) Σύστημα ελέγχου 4 του χρόνου φόρτισης του σφονδύλου. Το σύστημα αυτό προσομοιώνει τις τρείς πιθανές καταστάσεις 5 στις οποίες μπορεί να βρεθεί το σύστημα FESS. Μετά το πέρας της φορτίσεως και αφού η μηχανή έχει σταθεροποιηθεί κοντά στις 1000 rpm (μηχανή εν κενό), το σύστημα ελέγχου πραγματοποιεί ταυτόχρονα, την αποσύνδεση του δικτύου και τη σύνδεση των αντιστάσεων - στα 3sec (λειτουργία εκφόρτισης). 2.3 Προσομοίωση του Μοντέλου Σύμφωνα με την ανάλυση που έγινε στην παράγραφο περί περιγραφής του μοντέλου, εδώ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του σφονδύλου, μέσω του PSIM, σε κάθε μια από τις τρείς πιθανές καταστάσεις λειτουργίας που προαναφέρθηκαν. 2.3.1 Λειτουργία Φόρτισης Σταθεροποίησης Σε αυτό το στάδιο ο σφόνδυλος τροφοδοτείται από το δίκτυο των 400V / 50Hz, απορροφώντας ενέργεια, με την ηλεκτρική μηχανή να εργάζεται ως κινητήρας για την περιστροφή του σφονδύλου. Για ακόμη μια φορά, πρέπει να επισημανθεί ότι στο συγκεκριμένο μοντέλο έγινε η παραδοχή ότι ο σφόνδυλος και ο δρομέας της 2 μηχανής αποτελούν ενιαίο σύνολο, συνολικής ροπής αδράνειας 9,2 kg m. Στο σχήμα 2.4 φαίνεται ότι ο σφόνδυλος-κινητήρας επιταχύνει συνεχώς, μέχρι την χρονική στιγμή 2.5 sec, όπου και ισορροπεί κοντά στις 1000rpm (μηχανή εν κενό). Κατά το χρονικό διάστημα από 2.5 έως 3 sec το σύστημα βρίσκεται σε σταθερή, μόνιμη κατάσταση, με συνολική αποθηκευμένη ενέργεια 50,44 KJ. 4 Το σύστημα ελέγχου είναι ο συγκριτής του σχήματος 2.1. 5 Φόρτιση Σταθεροποίηση - Εκφόρτιση.

17 Σχήμα 2.4. Ταχύτητα Σφονδύλου σε rpm Καθ όλη τη διάρκεια της εκκίνησης το ρεύμα στο στάτη (σχήμα 2.5) είναι πολλαπλάσιο του αντίστοιχου της μόνιμης κατάστασης και αυτό γιατί δεν χρησιμοποιήθηκε κάποια μέθοδος περιορισμού του ρεύματος εκκίνησης του κινητήρα (π.χ. διακόπτης Υ-Δ, soft starter, κλπ). Σχήμα 2.5. Ρεύμα Στάτη σε Α

18 2.3.2 Λειτουργία Εκφόρτισης Την χρονική στιγμή 3 sec ο συγκριτής του κυκλώματος (σχήμα 2.1) πραγματοποιεί την ταυτόχρονη αποσύνδεση του δικτύου και την σύνδεση του φορτίου των αντιστάσεων. Η μηχανή τώρα εργάζεται ως επαγωγική γεννήτρια, αποδίδοντας την αποθηκευμένη μηχανική ενέργεια του σφονδύλου ως ηλεκτρική στο φορτίο. Ενεργό ρόλο στο κύκλωμα λαμβάνουν οι πυκνωτές, η χωρητικότητα των οποίων επιλέγεται ίση με 0,222mF, προκειμένου το σημείο λειτουργίας της γεννήτριας στην έναρξη της εκφόρτισης -3 sec- να βρίσκεται στα 400V (rms πολική τιμή). Κατά την χρονική διάρκεια που μεσολαβεί μέχρι την οριστική εκφόρτιση του σφονδύλου, η γεννήτρια επιβραδύνεται συνεχώς, παράγοντας τάση με διαρκώς μειούμενο πλάτος και συχνότητα (ξεκινώντας από τα 400V rms πολική τιμή). Τελικά, μόλις το σύστημα FESS δώσει όλη του την αποθηκευμένη ενέργεια στο φορτίο, η τάση μηδενίζεται οριστικά και οι στροφές διατηρούνται στην τιμή που είχαν πριν το μηδενισμό της τάσης. Αυτό συμβαίνει διότι, αφενός το σύστημα δε βλέπει τώρα κάποιο φορτίο, αφετέρου θεωρείται ιδανικό - χωρίς απώλειες(τριβές). Στην παράγραφο αυτή θα εξεταστούν για συγκριτικούς λόγους δύο περιπτώσεις. Εκείνη της αργής εκφόρτισης υπό χαμηλό φορτίο (R=50 Ω) και εκείνη της γρήγορης εκφόρτισης υπό μεγαλύτερο φορτίο (R=5 Ω). Προφανώς, οριακό φορτίο για το συγκεκριμένο σύστημα FESS αποτελεί η αντίσταση των 3,15 Ω. Σε αυτή την περίπτωση το σύστημα εκφορτίζεται σε λιγότερο από 1 sec 6, όπως φαίνεται παρακάτω και σύμφωνα με τη σχέση (2.2): 2 V ü P = 3 R ï ï 400 ï V = ; 231V ýþ P = 50, 793KW à 3 ï R = 3,15W ï ï þ ü P = 50, 793KW ï ï E = 50, 444KWsýÞ t = 0,993sec E ï t = ï P þ Για μεγαλύτερα φορτία (R < 3,15 Ω) το σύστημα δεν προλαβαίνει να αναπτύξει τάση και επομένως δεν μπορεί να ανταποκριθεί. Όλα τα παραπάνω παρουσιάζονται στα σχήματα που ακολουθούν, για τις δύο περιπτώσεις φορτίων. Η χρονική στιγμή έναρξης της εκφόρτισης είναι τα 3 sec (βέλος). 6 Το χρονικό αυτό διάστημα (1 sec) είναι ικανοποιητικά μικρό, έτσι ώστε να γίνει η παραδοχή ότι η τάση στα άκρα των αντιστάσεων είναι σταθερή και ίση με 400V(rms πολική).

19 R=50 Ω Σχήμα 2.6. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (2,5-40sec) 2,5-3 sec : Τάση δικτύου 3-40 sec: Τάση γεννήτριας Σχήμα 2.7. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (μεγέθυνση σχήματος 2.6 στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου)

20 Σχήμα 2.8. Ρεύμα στάτη και χωρητικό ρεύμα σε Α (μεγέθυνση στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου) Σχήμα 2.9. Στροφές γεννήτριας σε rpm (2,5-40sec) Από το σχήμα 2.9 φαίνεται ότι κατά το χρονικό διάστημα που εξετάζεται, η ταχύτητα του σφονδύλου-γεννήτριας έπεσε στις 775 rpm, στις οποίες και συντηρείται, εξαιτίας του μηδενισμού της τάσης.

21 R=5 Ω Όπως και ήταν αναμενόμενο εξαιτίας του υψηλού φορτίου, η τάση εξόδου της επαγωγικής γεννήτριας (σχήμα 2.10) πέφτει ταχύτατα μέσα σε 2 sec 7 από την αποσύνδεση του δικτύου. Σχήμα 2.10. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (2,5 7sec) 2,5-3 sec : Τάση δικτύου 3-7 sec: Τάση γεννήτριας Σχήμα 2.11. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (μεγέθυνση σχήματος 2.10 στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου) 7 Σε αντιδιαστολή με την περίπτωση που το φορτίο ήταν υψηλό, όπου και παρήγαγε τάση για σχεδόν 40 sec.

22 Σχήμα 2.12. Ρεύμα στάτη και χωρητικό ρεύμα σε Α (μεγέθυνση στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου) Σχήμα 2.13. Στροφές γεννήτριας σε rpm (2,5-7sec) Από το σχήμα 2.13 φαίνεται ότι κατά το χρονικό διάστημα που εξετάζεται, η ταχύτητα του σφονδύλου-γεννήτριας έπεσε μόλις στις 958 rpm, εξαιτίας του γρήγορου μηδενισμού της τάσης.

23 Κεφάλαιο 3 ο ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝΔΥΛΟ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 3.1 Εισαγωγή Ένα από τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την ανάλυση που έγινε στο 2 ο κεφάλαιο, είναι η αδυναμία απευθείας σύνδεσης του συστήματος FESS στο δίκτυο, χωρίς τη μεσολάβηση ηλεκτρονικών ισχύος. Το σύστημα FESS από μόνο του δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις για αξιόπιστη παροχή τάσης στο φορτίο, υπό σταθερό πλάτος και συχνότητα. Συνεπώς, για να είναι δυνατή η σύνδεση του με το δίκτυο κρίνεται αναγκαία η χρησιμοποίηση μετατροπέων ισχύος μεταξύ των δύο πλευρών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται δύο μετατροπείς (A-B), οι οποίοι συνδέονται όπως στο παρακάτω σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1. Γενικό μοντέλο σύνδεσης FESS στο δίκτυο Απαραίτητη προϋπόθεση για την αμφίδρομη ροή της ισχύος είναι η εναλλαγή των ρόλων (ανόρθωση-αντιστροφή) μεταξύ των μετατροπέων Α και Β. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται μετατροπείς διακοπτικού τύπου -6 παλμών- με IGBT s και διόδους, δύο τεταρτημορίων με αναστρέψιμο dc ρεύμα. Ο έλεγχος των διακοπτών των δύο μετατροπέων (On-Off) γίνεται μέσω ημιτονοειδούς διαμόρφωσης PWM από τα δύο κυκλώματα ελέγχου. Κατά το χρονικό διάστημα στο οποίο αποθηκεύεται ενέργεια στο FESS, η ροή της ισχύος είναι από το δίκτυο προς τον σφόνδυλο, με τον μετατροπέα Α να λειτουργεί ως ανορθωτής και τον B ως αντιστροφέας. Στην αντίστροφη διαδικασία, όπου το δίκτυο απορροφά ενέργεια από το σφόνδυλο, ο μετατροπέας Β λειτουργεί ως ανορθωτής και ο Α ως αντιστροφέας.

24 3.2 Μοντελοποίηση των Μετατροπέων Στην παράγραφο αυτή επιδιώκεται να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας και ελέγχου των μετατροπέων A και Β. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζεται μια προσέγγιση του γενικού μοντέλου τους σχήματος 3.1, όπου τώρα και στις δύο πλευρές των μετατροπέων υπάρχει το δίκτυο. 3.2.1 Περιγραφή του Μοντέλου Για την ανάλυση και την προσομοίωση του μοντέλου χρησιμοποιείται το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 3.2. Στο κύκλωμα αυτό η ροή της ισχύος είναι από το δίκτυο 1 προς το δίκτυο 2, με το μετατροπέα Α να έχει ρόλο ανορθωτή και τον Β να εργάζεται ως αντιστροφέας. Είναι γνωστό ότι, η φορά με την οποία μεταφέρεται η ισχύς από ένα σημείο α προς ένα σημείο β του δικτύου μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται η σύνθετη αντίσταση της γραμμής, εξαρτάται από τη σχέση προήγησης ή καθυστέρησης, μεταξύ των διανυσμάτων της τάσης σε αυτά τα σημεία. Συνοπτικά, έχουμε τα παρακάτω: Vα προηγείται Vβ à ροή ισχύος από το α στο β (3.1) Vα έπεται Vβ à ροή ισχύος από το β στο α (3.2) Επομένως, για να είναι δυνατή η μεταφορά ισχύος από το δίκτυο 1 προς το δίκτυο 2, πρέπει η τάση εξόδου του μετατροπέα Β (Vout_filter) να προηγείται εκείνης του δικτύου 2 (Εa) 8. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της τεχνικής ελέγχου των διακοπτών του αντιστροφέα Β. Όπως έχει αναφερθεί και προηγούμενα, ο έλεγχος των διακοπτών και των δύο μετατροπέων γίνεται με ημιτονοειδή διαμόρφωση PWM. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, συγκρίνεται η ίδια τριγωνική κυματομορφή τάσης (V_trigger) με τρεις ημιτονοειδείς τάσεις ελέγχου, οι οποίες έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης 120 ο. Η συχνότητα μετάβασης fs της τριγωνικής κυματομορφής (εδώ πλάτους 1V και συχνότητας fs=15,15khz 9 ) καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του μετατροπέα. Τα ημιτονοειδή σήματα ελέγχου (Vcontrol_a, Vcontrol_b, Vcontrol_c και Vcontrol_inverter) χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση της σχετικής αγωγής και έχουν συχνότητα ίση με 50Hz, η οποία είναι η επιθυμητή συχνότητα της τάσης εξόδου κατά τη λειτουργία αντιστροφής. Γίνεται λοιπόν σαφές ότι, αν επιλεγεί κατάλληλα η φάση της τάσης ελέγχου (Vcontrol_inverter) του αντιστροφέα Β και η οποία θα καθορίσει την φάση της εξόδου (Vout_filter) - τότε είναι δυνατός ο έλεγχος της κατεύθυνσης της ισχύος σύμφωνα με τις σχέσεις (3.1) και (3.2). Στην ανάλυση που ακολουθεί επιλέχθηκε η τάση εξόδου του μετατροπέα Β μετά το φίλτρο (Vout_filter), να προηγείται αυτής του δικτύου κατά 30 ο. 8 Εδώ, η σύνθετη αντίσταση της γραμμής είναι Ζ = 0.1 + 1.57j. 9 Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f = 15150/50 = 303. Περιττή τιμή για την εξάλειψη των άρτιων αρμονικών από την τάση εξόδου που παράγεται κατά τη λειτουργία αντιστροφής.

Σχήμα 3.2. 25

26 Μετατροπέας Α Ο μετατροπέας Α ανορθώνει την AC τάση του δικτύου 1 (400V rms πολική, 50Hz) και σκοπός του είναι η παραγωγή στην έξοδο DC τάσης σταθεροποιημένης στα 654V. Η σταθεροποίηση της DC τάσης στην παραπάνω τιμή, αποτελεί αναγκαία προϋπόθεση για να διατηρείται η έξοδος του μετατροπέα B στα 400V (rms πολική) σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: V d VLL( rms, polikή) = 0,612 m a (3.3),όπου m a και V LL ο συντελεστής διαμόρφωσης και η επιθυμητή τάση εξόδου του V = 400V) αντίστοιχα. μετατροπέα Β ( LL Επομένως, με το συντελεστή διαμόρφωσης m a να υπολογίζεται ως εξής: Vcontrol _ inverterpeak ü ma = ï Vtriggerpeak ï 1, 224 2 ï Vcontrol _ inverterpeak = = 0,999V ýþma ; 1 3 ï Vtriggerpeak = 1V ï ï ïþ,έχουμε από τη σχέση (3.3) για V LL = 400V ότι V d =654V. Εδώ, πρέπει να σημειωθεί ότι το πλάτος της τάσης ελέγχου (Vcontrol_inverter peak ) του μετατροπέα Β, λαμβάνεται εσκεμμένα σε αυτή την τιμή (πολική 1,224V), έτσι ώστε ο αντιστροφέας να λειτουργεί στο όριο πριν την υπερδιαμόρφωση. Το κύκλωμα ελέγχου των διακοπτών του μετατροπέα Α αναλαμβάνει την σταθεροποίηση της DC τάσης στα 654V και στο σύνολο του αποτελείται από: α) Τρείς βρόχους κλειδώματος της φάσης του δικτύου (Phase Lock Loop PLL). Τα PLL παράγουν το καθένα από μια ημιτονοειδή τάση, μοναδιαίου πλάτους, η οποία ακολουθεί τη φάση της αντίστοιχης τάσης του δικτύου. Προφανώς και χρησιμοποιούνται τρία PLL ένα για κάθε φάση. β) Ένα ελεγκτή PI με αναλογικό και ολοκληρωτικό όρο (Proportional Integral). Ο ελεγκτής δέχεται ως είσοδο το σφάλμα, που προκύπτει από τη διαφορά της εισόδου αναφοράς ( 654V ) με την DC τάση εξόδου του μετατροπέα Α. Σκοπός του ελεγκτή είναι η ελαχιστοποίηση του σφάλματος και η έξοδος του (γωνία) διαμορφώνει κατά φάση τις τρεις μοναδιαίες ημιτονοειδείς τάσεις που προέρχονται από τα PLL. Τελικά, οι τρείς ημιτονοειδείς μοναδιαίες τάσεις που κατασκευάζονται από το συνδυασμό των PLL και του PI, αποτελούν τα σήματα ελέγχου Vcontrol_a,

27 Vcontrol_b και Vcontrol_c των διακοπτών του μετατροπέα A, μέσω του ανοιγοκλεισίματος των οποίων παράγεται η επιθυμητή DC τάση εξόδου. Μετατροπέας Β Ο αντιστροφέας Β αναλαμβάνει να μετατρέψει την συνεχή τάση που προέρχεται από τον πρώτο μετατροπέα σε εναλλασσόμενη, αντίστοιχης με εκείνη του δικτύου 2. Τελικά παράγεται τάση συχνότητας 50Hz, πολικής τιμής 400V (rms). Η σχέση υπολογισμού της προέρχεται από την (3.3) σύμφωνα με τα παρακάτω: VLL( rms, polikή) = 0,612 ma Vdü ïþ ma ; 1 ý VLL ( rms, polikή) ; 400V Vd = 654V ï þ Ο συντελεστής διαμόρφωσης προκύπτει με τον τρόπο που προαναφέρθηκε στην περιγραφή του μετατροπέα Α. Φίλτρο Το φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα χρησιμοποιείται για τον περιορισμό των αρμονικών τάσης, που προέρχονται από την λειτουργία αντιστροφής. Κριτήριο επιλογής των στοιχείων του φίλτρου είναι η ολική παραμόρφωση της τάσης εξόδου THD v. Ο συντελεστής THD v πρέπει να είναι μικρότερος ή ίσος του 3%. Διαλέγεται η οριακή περίπτωση, όπου ο THD v =3%, προκειμένου το μέγεθος του φίλτρου να είναι το μικρότερο δυνατό. Η συχνότητα αποκοπής (fc) του φίλτρου LC υπολογίζεται ως: 1 ü fc = 2p LC ïï L = 350mH ýþ fc = 3, 473KHz C = 6mF ï ï ïþ Και ο συντελεστής THD v βρίσκεται ίσος με 3,07% (» 3%) από τις σχέσεις: Vdis ü THDv = 100% Vout _ filter ï 1 ý Þ THDv = 3,07% 2 2 2 Vdis = Vout _ filter -Vout _ filter ï 1 þ,όπου Vout _ filter (rms) η ολική τάση εξόδου, Vout _ filter 1 (rms) η 1 η αρμονική και Vdis η ενεργός τιμή της παραμόρφωσης.

28 3.2.2 Προσομοίωση του Μοντέλου Όλα όσα περιγράφηκαν παραπάνω παρουσιάζονται στα σχήματα που ακολουθούν, τα οποία είναι αποτέλεσμα της προσομοίωσης (από 0 ως 2sec) του κυκλώματος του σχήματος 3.2. Σχήμα 3.3. Φασική τάση εξόδου Vout_filter και τάση δικτύου 2 Ε a σε V Vout_filter (rms) = 230,592 V E a (rms) = 230,911 V (χρονική διάρκεια δύο περιόδων 40ms) Στο σχήμα 3.3 φαίνεται ότι η τάση εξόδου Vout_filter του μετατροπέα Β μετά το φίλτρο LC -προηγείται χρονικά κατά 30 ο της E a. Σχήμα 3.4. DC τάση εξόδου μετατροπέα Α σε V (σταθεροποίηση στα 654V 10 ) 10 Σημαντικό ρόλο στην κυμάτωση της DC τάσης γύρω από τα 654V διαδραματίζει ο πυκνωτής ζεύξης. Επιλέγεται C= 3mF. Η κυμάτωση υπολογίζεται ίση με 2,31%.

29 Σχήμα 3.5. Σφάλμα ελεγκτή PI Στο σχήμα 3.5 φαίνεται η ελαχιστοποίηση του σφάλματος μέσω του ελεγκτή PI, ενώ στο επόμενο σχήμα 3.6 παρουσιάζεται και η έξοδος του, η οποία διαμορφώνει κατά φάση τα 3 σήματα ελέγχου (Vcontrol_a, Vcontrol_b, Vcontrol_c) που προκύπτουν από τα PLL. Σχήμα 3.6. Έξοδος ελεγκτή PI σε μοίρες Στα σχήματα 3.7 και 3.8 απεικονίζονται στιγμιότυπα στο χρόνο, των κυματομορφών ελέγχου των διακοπτών του μετατροπέα Α.

30 Σχήμα 3.7. Τριγωνική κυματομορφή (fs = 15,15KHz, Vpeak = 1 V) Σχήμα 3.8. Σήματα ελέγχου διακοπτών μετατροπέα Α (f = 50KHz, Vpeak = 1 V) Αντίστοιχα, τα σήματα ελέγχου για τον μετατροπέα Β φαίνονται στο σχήμα 3.9 (η τριγωνική κυματομορφή είναι η ίδια όπως στον Α). Τα σήματα αυτά προηγούνται της τάσης του δικτύου 2 κατά 30 ο.

31 Σχήμα 3.9. Σήματα ελέγχου διακοπτών μετατροπέα Β (f = 50KHz, Vpeak = 1 V) 3.3 Σύνδεση FESS στο δίκτυο Το μοντέλο των μετατροπέων που εξετάστηκε στην παράγραφο 3.2, θα χρησιμοποιηθεί για την σύνδεση του συστήματος FESS με το δίκτυο. Τη θέση του δικτύου 2 καταλαμβάνει τώρα ο σφόνδυλος, ο οποίος μοντελοποιείται με τον τρόπο που περιγράφηκε στο 2 ο κεφάλαιο. Θα εξεταστούν χωριστά οι περιπτώσεις φόρτισης και εκφόρτισης του σφονδύλου. 3.3.1 Λειτουργία Φόρτισης Σταθεροποίησης Κατά τη λειτουργία φόρτισης, όπου ο σφόνδυλος απορροφά ενέργεια από το δίκτυο, το σύστημα των μετατροπέων αναλαμβάνει να τροφοδοτήσει με εναλλασσόμενη ημιτονοειδή τάση 400V(rms πολική), 50Hz, την ηλεκτρική μηχανή του FESS, η οποία εργάζεται ως κινητήρας για την επιτάχυνση του σφονδύλου. Ο μετατροπέας Α ανορθώνει την τάση του δικτύου, ενώ ο Β λειτουργεί ως αντιστροφέας, σύμφωνα με το κύκλωμα του σχήματος 3.10. Ο έλεγχος των διακοπτών των μετατροπέων είναι όμοιος με εκείνο που περιγράφηκε στην υποπαράγραφο 3.2.1.

Σχήμα 3.10. 32

33 Προσομοίωση Η προσομοίωση του κυκλώματος 3.10 γίνεται για χρονική διάρκεια 5 sec. Ο σφόνδυλος επιταχύνει στις ονομαστικές στροφές (1000rpm) στα 2,5sec (σχήμα 3.11) και σταθεροποιείται σε αυτή την κατάσταση, μέχρι να κλιθεί - π.χ. εξαιτίας κάποιου σφάλματος - να επιστρέψει πίσω στο δίκτυο την αποθηκευμένη του ενέργεια (Ε= 50,44ΚJoule). Σχήμα 3.11. Ταχύτητα Σφονδύλου σε rpm Στο σχήμα 3.12 φαίνεται η καθυστέρηση του ελεγκτή PI να σταθεροποιήσει την DC τάση εξόδου του μετατροπέα Α, εξαιτίας της διαδικασίας εκκίνησης στην οποία βρίσκεται ο κινητήρας. Στα 3 sec που σταθεροποιείται ο σφόνδυλος, ταυτόχρονα σταθεροποιείται και η DC τάση (654V), αλλά με σημαντική κυμάτωση 6,68% 11. Σχήμα 3.12. DC τάση εξόδου μετατροπέα Α σε V (σταθεροποίηση στα 654V) 11 Η χωρητικότητα του πυκνωτή ζεύξης, παρέμεινε στα 3mF.

34 Σχήμα 3.13. Πολική τάση στα άκρα του κινητήρα σε V (σε όλο το χρονικό διάστημα της προσομοίωσης) Η παραμόρφωση THD v της τάσης εξόδου (Vmotor) του μετατροπέα Β αυξήθηκε για το ίδιο φίλτρο - στο 10,39 % (σχήμα 3.14). Σχήμα 3.14. Πολική τάση στα άκρα του κινητήρα σε V (μετά τη σταθεροποίηση) Vmotor (rms) = 407,601V (μεγέθυνση σχήματος 3.13 στο χρόνο - χρονική διάρκεια δύο περιόδων 40ms) Στα σχήματα 3.15 και 3.16 φαίνονται, η κυματομορφή του ρεύματος στο στάτη της μηχανής και η τριφασική ισχύς στην είσοδο του μετατροπέα Α και στην έξοδο του μετατροπέα Β.

35 Σχήμα 3.15. Ρεύμα στάτη κινητήρα σε Α Σχήμα 3.16. Τριφασική ισχύς σε ΚW (μετά τη σταθεροποίηση) Watt_meter_1 : Ισχύς στην είσοδο του μετατροπέα Α Watt_meter_2 : Ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα Β 3.3.2 Λειτουργία Εκφόρτισης Η λειτουργία εκφόρτισης του FESS εξετάζεται για την περίπτωση που συμβαίνει ένα σφάλμα στο δίκτυο και ο σφόνδυλος αναλαμβάνει να καλύψει εκείνη τη χρονική στιγμή το φορτίο. Η προσομοίωση της εκφόρτισης γίνεται σύμφωνα με το κύκλωμα του σχήματος 3.17, με το εικονικό φορτίο να αναπαρίσταται από 3 ωμικές αντιστάσεις, κάθε μία ίση με 50 Ω, σε συνδεσμολογία αστέρα.

Σχήμα 3.17. 36

37 Ο σφόνδυλος επιταχύνει αρχικά μέσω του δικτύου για χρονικό διάστημα 3 sec 12 και εν συνεχεία η ροή της ισχύος αντιστρέφεται, με το FESS να τροφοδοτεί ηλεκτρική ενέργεια στο φορτίο. Ο μετατροπέας Α αναλαμβάνει την ανόρθωση της τάσης εξόδου της επαγωγικής γεννήτριας, η οποία όπως είναι γνωστό, μεταβάλλεται σε πλάτος και συχνότητα. Αντίστοιχα, ο Β λειτουργεί ως αντιστροφέας. Στο σημείο αυτό πρέπει να επισημανθεί η αναγκαιότητα τροφοδοσίας του φορτίου υπό εναλλασσόμενη τάση 400V,50Ηz(rms πολική). Για να είναι δυνατό κάτι τέτοιο, όπως έχει αναφερθεί επιβάλλεται η σταθεροποίηση της DC τάσης εξόδου του ανορθωτή Α στα 654V (μέσω του ελέγχου των διακοπτών του). Ο συγκριτής του κυκλώματος υλοποιεί τις λειτουργίες φόρτισης και εκφόρτισης, με χρόνο μετάβασης τα 3 sec. Προσομοίωση Προκειμένου να υπάρχει μέτρο σύγκρισης των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, κατά τη λειτουργία εκφόρτισης του σφονδύλου, μεταξύ του μοντέλου που υιοθετείται εδώ και εκείνου της υποπαραγράφου 2.3.2 του 2 ου κεφαλαίου (στο οποίο δεν είχε γίνει χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος), εξετάζονται πάλι οι περιπτώσεις εκφόρτισης για R=50Ω και R=5Ω αντίστοιχα. R=50Ω Η τάση εξόδου της επαγωγικής γεννήτριας, μετά την αποσύνδεση του δικτύου, φαίνεται να ισορροπεί περίπου στα 112V (rms, πολική τιμή) και όχι στα 400V, που θα αναμενόταν σύμφωνα με το θεωρητικό σημείο λειτουργίας, το οποίο προκύπτει από τη χρήση των συγκεκριμένων πυκνωτών(0,222mf). Επιπλέον, ο σφόνδυλος αποφορτίζεται μέσα σε λιγότερο από 5sec, κάτι το οποίο δεν συνέβαινε με το μοντέλο της υποπαραγράφου 2.3.2 (ο σφόνδυλος τότε συντηρούσε τάση για 30 και πλέον δεύτερα). Τα παραπάνω φαίνονται στα σχήματα 3.18 και 3.19 που ακολουθούν. 12 Είναι η λειτουργία φόρτισης που περιγράφηκε στην υποπαράγραφο 3.3.1, όπου για λόγους απλότητας γίνεται η απευθείας τροφοδότηση του σφονδύλου από το δίκτυο, χωρίς την παρεμβολή των ηλεκτρονικών ισχύος.

38 Σχήμα 3.18. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V 0-3sec: Τάση δικτύου 3-8sec: Τάση γεννήτριας Σχήμα 3.19. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (μεγέθυνση σχήματος 3.18 στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου) Ο έλεγχος των διακοπτών του μετατροπέα Α αποτυγχάνει να κρατήσει σταθερή την DC έξοδο στα 654V και αυτό, λόγο του - μη αναμενόμενου - χαμηλού επιπέδου της τάσης που παράγει η γεννήτρια. Η τάση σταθεροποιείται τελικά στα 157V, με κυμάτωση 5,77% (σχήμα 3.20).

39 Σχήμα 3.20. DC τάση εξόδου μετατροπέα Α σε V (σταθεροποίηση στα 157V) Σχήμα 3.21. Φασική τάση εξόδου Vout_filter στο φορτίο σε V Ο μετατροπέας Β λειτουργεί κανονικά, αντιστρέφοντας τα 157V που βλέπει στην είσοδο του, παράγοντας τώρα τάση στο φορτίο ίση με 56,665V και συχνότητα 50Ηz (rms φασική-σχήματα 3.21-3.22), η οποία υπολογίζεται και θεωρητικά ως: VLL( rms, polikή) = 0,612 ma Vdü ïþ ma ; 1 ý VLL( rms, polikή) ; 96,084V Vd = 157V ï þ VLL( rms, polikή) ü VPHASE ( rms, polikή) = ï 3 ý Þ VPHASE ( rms, polikή) = 55, 47V VLL( rms, polikή) ; 96,084V ï þ

40 Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης στο φορτίο είναι 9,81% (σχήμα 3.22). Σχήμα 3.22. Φασική τάση εξόδου Vout_filter στο φορτίο σε V Vout_filter (rms) = 56,665 V (μεγέθυνση σχήματος 3.21 στο χρόνο, μετά την αποσύνδεση του δικτύου, για χρονική διάρκεια δύο περιόδων 40ms) Η ταχύτητα του σφονδύλου πέφτει μόλις 15 στροφές, εξαιτίας του γρήγορου μηδενισμού της τάσης της μηχανής. Σχήμα 3.23. Στροφές γεννήτριας σε rpm (2,5-8sec) Τέλος, η τριφασική ισχύς στο φορτίο κατά τη χρονική διάρκεια που η γεννήτρια παράγει τάση (3-7sec), είναι ίση με 193W (σχήμα 3.24).

41 Σχήμα 3.24. Τριφασική ισχύς στο φορτίο σε ΚW R=5Ω Όπως είναι γνωστό η κάλυψη μεγαλύτερου φορτίου από το σφόνδυλο συνεπάγεται και γρηγορότερη εκφόρτιση. Η προσομοίωση του κυκλώματος 3.17 για R=5Ω φαίνεται στα σχήματα που ακολουθούν. Σχήμα 3.25. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V 0-3sec: Τάση δικτύου 3-4sec: Τάση γεννήτριας

42 Σχήμα 3.26. Πολική τάση εξόδου επαγωγικής γεννήτριας σε V (μεγέθυνση σχήματος 3.25 στο χρόνο, πριν και μετά την αποσύνδεση του δικτύου) Σχήμα 3.27. DC τάση εξόδου μετατροπέα Α σε V Σχήμα 3.28. Φασική τάση εξόδου Vout_filter στο φορτίο σε V (μετά την αποσύνδεση του δικτύου)

43 Σχήμα 3.29. Στροφές γεννήτριας σε rpm (2,8-4sec) Σχήμα 3.30. Τριφασική ισχύς στο φορτίο σε ΚW

44 Κεφάλαιο 4 ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 4.1 Συμπεράσματα - Παρατηρήσεις Από την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε στα κεφάλαια 2 και 3 εξάγονται τα παρακάτω συμπεράσματα: Το απλοποιημένο μοντέλο του σφονδύλου, όπως περιγράφεται στο 2 ο κεφάλαιο, λειτουργεί ομαλά, καθώς οι μετρήσεις που προέκυψαν ως αποτέλεσμα της προσομοίωσης συνάδουν με τους αντίστοιχους θεωρητικούς υπολογισμούς. Το επίπεδο τάσης που παράγει η επαγωγική γεννήτρια είναι ανάλογο των πυκνωτών αντιστάθμισης, με το σημείο λειτουργίας της μηχανής να βρίσκεται από την τομή μεταξύ της καμπύλης μαγνήτισης και της χαρακτηριστικής πυκνωτή. Τέλος, επιβεβαιώθηκε η εξάρτηση του χρόνου εκφόρτισης από το μέγεθος του φορτίου, όπου όσο υψηλότερο είναι το φορτίο, τόσο γρηγορότερη είναι αντίστοιχα και η εκφόρτιση. Η συμπεριφορά του σφονδύλου όταν αυτός συνδέεται με το δίκτυο, παρουσιάζει αποκλίσεις από το απλοποιημένο μοντέλο. Αρχικά, η λειτουργία φόρτισης πραγματοποιείται ομαλά, με τους ελέγχους των διακοπτών μεταξύ των μετατροπέων να ανταποκρίνονται στο στόχο τους. Ωστόσο, όταν αντιστρέφεται η ροή της ισχύος - όπου ο σφόνδυλος καλείται τότε να τροφοδοτήσει αξιόπιστα το φορτίο υπό εναλλασσόμενη τάση 400V,50 Hz (rms πολική) - ο έλεγχος αποτυγχάνει. Η αστοχία του ελέγχου, οφείλεται στο γεγονός ότι το σημείο λειτουργίας της γεννήτριας αλλάζει, αποκλίνοντας από τη θεωρητική του τιμή, παρόλο που οι πυκνωτές παραμένουν οι ίδιοι (C=0,222mF). Από περαιτέρω ανάλυση, διαπιστώθηκε ότι ακόμη και αν χρησιμοποιηθούν μεγαλύτερες χωρητικότητες ως αντιστάθμιση (>0,222mF), η γεννήτρια δεν ανεβάζει το επίπεδο της τάσης εξόδου της. Το ίδιο συμβαίνει και για την προσομοίωση με πολύ χαμηλά φορτία. Για την ακρίβεια φαίνεται να παραμένει το ίδιο, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τα δύο μοντέλα (σφονδύλου-μετατροπέων) -με το συγκεκριμένο έλεγχο- είναι αδύνατο να συνεργαστούν ως έχουν.

45 Βιβλιογραφία ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ AC-DC 3 η ΕΚΔΟΣΗ, STEPHEN J.CHAMPAN, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ, Β ΕΚΔΟΣΗ, MOHAN/UNDELAND/ROBBINS, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ, Π.ΝΤΟΚΟΠΟΥΛΟΣ, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΖΗΤΗ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, Α ΤΟΜΟΣ, Δ.ΛΑΜΠΡΙΔΗΣ, Γ. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ, Π.ΝΤΟΚΟΠΟΥΛΟΣ, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΖΗΤΗ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ, Α ΚΑΙ Β ΤΟΜΟΣ, Β.ΠΕΤΡΙΔΗΣ, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΖΗΤΗ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ, ΤΟΜΟΣ Ι, «ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ», Γ.ΞΥΠΤΕΡΑΣ, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΖΗΤΗ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Ηλεκτρονική Βιβλιογραφία WIKIPEDIA