«Σύγχρονα Συστήµατα Μετατροπής Αιολικής Ενέργειας σε Ηλεκτρική»

Θέµα: «Σύγχρονα Συστήµατα Μετατροπής Αιολικής Ενέργειας σε Ηλεκτρική» ηµήτριος Γκιαουράκης, ιπλ. Ηλ. Μηχ/κός, Υποψήφιος ιδάκτορας, Εργαστήριο Ηλεκτρο- µηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήµιο τηλ.: 2610-997351, Fax:2610-997362, e-mail :dgkiaourakis@ece.upatras.gr Αθανάσιος Σαφάκας, Καθ. ρ. -Μηχανικός Πανεπιστήµιο Πατρών, ιευθυντής Εργαστηρίου Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Πατρών, τηλ.: 2610-997351, Fax:2610-997362, e-mail: a.n.safacas@ece.upatras.gr Περίληψη Στην εργασία αυτή γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση των σύγχρονων συστηµάτων µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική µε βάση µια κατηγοριοποίηση σε τρία επίπεδα που λαµβάνει υπόψη της τα κυριότερα χαρακτηριστικά-λειτουργικά και κατασκευαστικά-αυτών των συστηµάτων. Επίσης, γίνεται µια σύγκριση µεταξύ αυτών µε βάση τα λειτουργικά τους χαρακτηριστικά. Ιδιαίτερα δίνεται έµφαση σε εκείνα τα συστήµατα που στηρίζονται στην τεχνολογία CASCADE, διότι αυτά χρησιµοποιούνται σήµερα σε µεγάλο εύρος και για τα οποία έχουν γίνει ορισµένες προσοµοιώσεις στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. 1. Εισαγωγή [1, 3, 4, 5, 6, 12] Στις µέρες µας, η ανάγκη για κατανάλωση όλο και περισσότερης ενέργειας, καθώς και η ανάγκη χρήσης πηγών ενέργειας που να µην µολύνουν το περιβάλλον, είναι γεγονός. Έτσι, λόγω της ισχυρής πίεσης από τις δυνάµεις που εκπροσωπούν την οικολογική αντίληψη, αλλά και της πίεσης για πιο «οικονοµική» ενέργεια, οδηγηθήκαµε στην κατασκευή εγκαταστάσεων για άµεση χρήση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (αιολική, ηλιακή, υδροηλεκτρική, βιοµάζα, γεωθερµική,). Πιο συγκεκριµένα, τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό-αναπτυξιακό καθώς και εµπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) και ειδικότερα για τη δηµιουργία συστηµάτων µέσω των οποίων µπορούν αυτές να αξιοποιηθούν. Ο όρος ανανεώσιµες αποδίδεται, διότι οι πηγές αυτές έχουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι ανανεώνονται διαρκώς λόγω της φύσης τους, συνεπώς είναι ανεξάντλητες και προσφέρονται δωρεάν στον άνθρωπο προς εκµετάλλευση. Οι περισσότερες από τις ανανεώσιµες µορφές ενέργειας (µερικές από αυτές ήταν γνωστές και χρησιµοποιούνταν εδώ και πολλούς αιώνες) είναι αποτέλεσµα της δράσης της ηλιακής ενέργειας, π.χ. ο αέρας, τα κύµατα των θαλασσών, η θερµοκρασιακή διαφορά των θαλασσών κ.λπ. Η µέση ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης είναι 600 W/m 2, αλλά φυσικά η εκµεταλλεύσιµη τιµή διαφέρει πολύ, ανάλογα µε τη γεωγραφική θέση και άλλους παράγοντες [5]. Αφορµή για αυτό το έντονο ενδιαφέρον αποτέλεσε η πετρελαϊκή κρίση του 1973, η οποία κατέστησε σαφές διεθνώς, ότι τα αποθέµατα του πετρελαίου, στο οποίο βασιζόταν ως επί το πλείστον η παραγωγή τεράστιας ποσότητας αξιοποιήσιµης ενέργειας, είναι «πεπερασµένα» και «περιορισµένα». Άλλος ένας λόγος που οδήγησε στο έντονο ενδιαφέρον για τις Α.Π.Ε. είναι η εξέλιξη της τεχνολογίας και της βιοµηχανίας. Η εξέλιξη αυτή και στους δύο κλάδους δηµιούργησε νέα δεδοµένα στην ανθρωπότητα και είχε ως αποτέλεσµα την ολοένα και µεγαλύτερη ανάγκη για ενέργεια, αλλά και την 1

αρνητική συνέπεια ότι η καύση των ορυκτών καυσίµων έχει ως αποτέλεσµα την εκποµπή µιας µεγάλης ποικιλίας ρύπων, όπως οξείδια του θείου (SO x ) και του αζώτου (ΝΟ χ ) µονοξείδιο του άνθρακα (CO), άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) αλλά και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Στο σχήµα 1.1 1 απεικονίζεται η παγκόσµια ενεργειακή κατανάλωση κατά τα έτη 1970 2025, ενώ στο σχήµα 1.2 οι ετήσιες αιχµές του ελληνικού διασυνδεδεµένου συστήµατος. Σχήµα 1:Παγκόσµια ενεργειακή Κατανάλωση 1970-2025[24] 1 1 BTU = 1055.06 J Σχήµα 2:Ετήσιες Αιχµές ελληνικού ιασυνδεδεµένου συστήµατος 1988-2002 [17] 1 Quadrillion BTU = 10 15 BTU Αξίζει να επισηµανθεί ότι ένα ευπρόσδεκτο χαρακτηριστικό των Α.Π.Ε, είναι ότι οι τεχνολογίες εκµετάλλευσής τους βρίσκονται µέσα στις κατασκευαστικές δυνατότητες των τεχνολογικά αναπτυσσόµενων χωρών. Εποµένως, εκτός από την προσφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο µιας χώρας, συνεισφέρουν σηµαντικά, εφόσον αναπτυχθούν κατάλληλα, και στην ανάπτυξη της τεχνολογίας και στη δηµιουργία νέων θέσεων εργασίας. Ειδικά για την χώρα µας αποτελεί πρόκληση η δηµιουργία µιας εθνικής βιοµηχανίας για την εκµετάλλευση των Α.Π.Ε., αν και έχουν σηµειωθεί κάποιες προσπάθειες τα τελευταία χρόνια προς αυτήν την κατεύθυνση [12], όπως η κατασκευή της ανεµογεννήτριας «Πυρκάλ» από µεγάλη ελληνική κατασκευαστική εταιρία. Ασφαλώς, χρειάζεται η συστηµατική και µεγαλύτερης κλίµακας υποστήριξη από την πολιτεία και από άλλους φορείς. 2. Μερικά στοιχεία για το αιολικό δυναµικό και για την εκµετάλλευσή του στον ελληνικό και παγκόσµιο χώρο[19, 20] Στη χώρα µας έχει αρχίσει η εγκατάσταση, σε πολλά µέρη, ανεµογεννητριών, είτε για πειραµατικούς σκοπούς είτε για κάλυψη των τοπικών και όχι µόνο αναγκών για ενέργεια. Όπως προκύπτει από τα στοιχεία που παρατίθενται παρακάτω, η χώρα µας έχει πλούσιο αιολικό δυναµικό και όλα τα εχέγγυα για την επίτευξη των στόχων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. και κυρίως από αιολική ενέργεια. Επίσης, µπορούµε να συµπεράνουµε ότι η αιολική ενέργεια κατέχει πολύ σηµαντική θέση στις 2

Α.Π.Ε. όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εφόσον ολοένα και περισσότερα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται ανά τον κόσµο. Σχήµα 3. Αιολικός χάρτης. Ευρώπης [20] Υπόµνηµα Από τον παραπάνω χάρτη διαπιστώνουµε τη δικαιολογηµένη ανάπτυξη των ανεµογεννητριών τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Ελλάδα, αφού υπάρχει πλούσιο αιολικό δυναµικό προς εκµετάλλευση. Επίσης. έχει διαπιστωθεί από µελέτες ότι το σύνολο της ηπειρωτικής Ελλάδας διαθέτει µέτριο προς υψηλό αιολικό δυναµικό, συνεπώς πρέπει να υπάρξει µαζική στροφή των επενδυτών προς αυτή την κατεύθυνση. Στον πίνακα 1 και το σχήµα 4 που ακολουθεί, φαίνεται συγκεντρωτικά το ποσοστό συµµετοχής ανά κατηγορία Α.Π.Ε. στον ελληνικό χώρο καθώς και οι τάσεις το 2010. Ο πίνακας και το σχήµα προήλθαν από το Υπουργείο Ανάπτυξης και δείχνει τη διαχρονική εξέλιξη και τις τάσεις που επικρατούν. Άλλωστε τα παραπάνω στοιχεία, αλλά και όσα φαίνονται στον εν λόγω πίνακα, δείχνουν την µεγάλη ανάπτυξη των αιολικών πάρκων και γενικά της αιολικής ενέργειας, η οποία είναι η κυρίως αξιοποιούµενη µορφή ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Στην Ελλάδα φαίνεται ότι η αιολική ενέργεια κατέχει κυρίαρχη θέση µεταξύ των Α. Π. Ε.. 3

1000,0 900,0 982 Εγκατεστηµένα MW 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 69 69 69 71 82 159 278 350 368 483 523 747 Αιολικά µυησ Βιοµάζα Ηλιακά 0,0 έως το 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Σχήµα 4. Συνολική εγκατεστηµένη ισχύς σταθµών ηλεκτροπαραγωγής στην Ελλάδα µε χρήση ΑΠΕ [2]. Εγκατεστη- µένη Ισχύς σε ΜW (αρχές 2006) Πρόσθετ ες Άδειες Εγκατάσ τασης σε ισχύ (MW) Πρόσθε τα ΑΠΕ λόγω δροµολο γη- µένων παρεµβά σεων (MW) Πρόσθετα ΑΠΕ στη λοιπή Ελλάδα (MW) Εκτιµώµ ενο σύνολο ισχύος 2010 σε MW Εκτιµώµ ενη Παραγωγ ή ενέργειας 2010 σε δις kwh Ποσοστό συµµετο χής ανά τύπο ΑΠΕ το 2010 (για στόχο 13,67 δις kwh) Αιολικά 622 505 1.240 650 3.017 6,34 9,33 Μικρά ΥΗ 100 62 90 252 0,76 1,11 Μεγάλα ΥΗ 3.018 307 3.325 4,58 6,74 Βιοµάζα 24 22 25 71 0,56 0,82 Γεωθερµία 0 8 8 0,06 0,09 Φ/Β 1* 1 8 10 0,01 0,02 Σύνολο 3.765 590 1.240 1.088 6.683 12,31 18,10 Πίνακας 1. Βασικό σενάριο εκτίµησης δυνατής παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ κατά το έτος 2010 στην Ελλάδα [2] ΠΗΓΗ : ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ( www.ypan.gr ) 4

Τέλος, παρατίθενται κάποια αριθµητικά στοιχεία για τα αιολικά πάρκα στην Ελλάδα. Η Ελλάδα έχει το δεύτερο καλύτερο αιολικό δυναµικό στην Ευρώπη, µετά το Ηνωµένο Βασίλειο. Το τεχνικά εκµεταλλεύσιµο αιολικό δυναµικό της Ελλάδας ανέρχεται σε 44 TWh/ έτος (αναλογεί σε εγκατεστηµένη ισχύ περί τα 22 GW) και θα υπερκάλυπτε τη συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα.[18]. Παρ' όλα αυτά η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς στη χώρα µας το 2006 ανέρχεται σε 800 MW περίπου, µε τη Γερµανία και την Ισπανία να βρίσκονται στις πρώτες θέσεις µε συνολική εγκατεστηµένη ισχύ 20.621 MW και 11.615 MW αντίστοιχα[17]. Από µία καταγραφή, η οποία πραγµατοποιήθηκε τους µήνες εκέµβριο 2005 και Ιανουάριο 2006 από το Υπουργείο Ανάπτυξης, διαπιστώθηκε ότι η εγκατεστηµένη ισχύς συστηµάτων Α. Π. Ε. στη χώρα µας ήταν : 3.017, 8 MW από µεγάλα υδροηλεκτρικά- µε τα 1.282, 2 MW να βρίσκονται στη υτική Ελλάδα, 621 MW από αιολικά πάρκα- µε τα 204, 3 MW να βρίσκονται στην Στερεά Ελλάδα, 99, 86 MW από µικρά υδροηλεκτρικά- µε τα 22 MW να βρίσκονται στην Στερεά Ελλάδα, 1,15 MW* από φωτοβολταϊκά-µε τα 0,2 MW στην Αττική και 23, 72 MW βιοµάζα-µε τα 20,70 MW να βρίσκονται στην Ανατολική Μακεδονία και Θράκη [2]. * Η ισχύς αυτή είναι η καταγεγραµµένη αλλά υπάρχουν πολλά φωτοβολταϊκά συστήµατα µη συνδεδεµένα µε τα δίκτυα. Με βάση στοιχεία πωλήσεων εκτιµάται ότι η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς φωτοβολταϊκών συστηµάτων κατά τις αρχές του 2006 βρισκόταν σε επίπεδο 4 MW. 3. Σύγχρονα συστήµατα µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική-σύγκριση λειτουργικών χαρακτηριστικών[4, 6,7,8,9,] Η αιολική ενέργεια έχει το πλεονέκτηµα ότι ο άνεµος είναι άφθονος, δε µολύνει το περιβάλλον, δεν έχει κόστος. Όµως έχει ένα µεγάλο µειονέκτηµα, είναι µεταβλητός, δηλαδή µπορεί να φυσάει ή όχι, µπορεί να φυσάει δυνατά ή πιο σιγά. Για αυτό το λόγο, έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί διάφορα συστήµατα ελέγχου, τα οποία µπορούν και προσαρµόζουν τη λειτουργία του συστήµατος ανάλογα µε τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες (ανάλογα µε την ταχύτητα του ανέµου, ανάλογα µε την κατεύθυνσή του κοκ.). Οι δύο κυριότερες κατηγορίες συστηµάτων είναι: α)σταθερής ταχύτητας β)µεταβλητής ταχύτητας 3.1 Συστήµατα Σταθερής Ταχύτητας (Σταθερής Συχνότητας Σταθερών Στροφών-ΣΣΣΣ) Στην πρώτη κατηγορία-συστήµατα Σταθερής Ταχύτητας (ή αλλιώς Σταθερής Συχνότητας- Σταθερών Στροφών)-µια Α/Γ, µε αυτή τη µέθοδο ελέγχου αποτελείται από έναν A/K και µια ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωµένου κλωβού, που συνδέoνται µέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Η ολίσθηση των γεννητριών αυτής της 5

κατηγορίας ποικίλλει ανάλογα µε την παραγόµενη ενεργό ισχύ, έτσι η ταχύτητα δεν είναι στην πραγµατικότητα σταθερή, εντούτοις, δεδοµένου ότι οι µεταβολές της ταχύτητας είναι πολύ µικρές (περίπου 1-2%), αναφέρεται συνήθως ως ανεµογεννήτρια «σταθερής ταχύτητας». Επίσης, η άεργος ισχύς των ασύγχρονων γεννητριών βραχυκυκλωµένου κλωβού σχεδόν πάντα προσφέρεται από πυκνωτές. Το πλεονέκτηµα ενός τέτοιου συστήµατος είναι η σχετικά απλή δοµή του, εποµένως το κόστος του τείνει να είναι χαµηλό. Αυτές οι Α/Γ πρέπει να είναι µηχανικά περισσότερο στιβαρές από άλλες, λόγω των υψηλότερων µηχανικών φορτίων,δεδοµένου ότι η ταχύτητα του Α/Κ δεν µπορεί να ποικίλει. Οι διακυµάνσεις στην ταχύτητα του αέρα έχουν ως άµεσο αποτέλεσµα διακυµάνσεις στη ροπή. Οι διακυµάνσεις ισχύος µπορούν να προκαλέσουν διακυµάνσεις τάσης, οι οποίες αντισταθµίζονται από πυκνωτές. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα παρακάτω συστήµατα: 3.1.1 Λειτουργία ανεµογεννήτριας µε µία ταχύτητα[6] Σχήµα 5. Σχηµατικό διάγραµµα συστήµατος ΣΣΣΣ [6]. Βασικές αρχές λειτουργίας: ο αέρας επιδρά στον Α/Κ και παράγει την αεροδυναµική ροπή, (T AERO, σχ. 5). Στον άξονα που συνδέει τον Α/Κ µε το κιβώτιο ταχυτήτων έχουµε χαµηλές στροφές αλλά υψηλή ροπή. Η ροπή διαβιβάζεται µέσω του κιβωτίου ταχυτήτων στη γεννήτρια, το οποίο χρησιµεύει για να αυξήσει την ταχύτητα µέχρι αυτή να γίνει ίση µε την επιθυµητή ταχύτητα του άξονα της γεννήτριας. Στην ιδανική περίπτωση η ταχύτητα αυξάνεται αναλογικά σύµφωνα µε την αναλογία των κιβωτίων ταχυτήτων και η ροπή µειώνεται στην ίδια αναλογία. Στην πραγµατικότητα, υπάρχουν απώλειες 6

στο κιβώτιο ταχυτήτων που προκαλούν την απόκλιση από αυτήν την ιδανική σχέση, αλλά οι αποδόσεις είναι αρκετά υψηλές και η σχέση αυτή είναι µια καλή πρώτη προσέγγιση. Η ηλεκτρική έξοδος της γεννήτριας συνδέεται µε ένα γειωµένο τριφασικό µετασχηµατιστή. Η γεννήτρια µπορεί να είναι ασύγχρονη βραχυκυκλωµένου κλωβού ή σύγχρονη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι σχεδιασµένο έτσι ώστε η µέγιστη ταχύτητα του δροµέα της γεννήτριας να αντιστοιχεί στην ονοµαστική ταχύτητα αυτής. Στην περίπτωση της σύγχρονης γεννήτριας, το τύλιγµα του δροµέα µπορεί να διεγείρεται µε συνεχές ρεύµα ή να υπάρχει αυτοδιέγερση µέσω µονίµων µαγνητών. Σχήµα 6. Χαρακτηριστικές καµπύλες λειτουργίας [6] 3.1.2 Λειτουργία ανεµογεννήτριας µε δύο ταχύτητες [6, 16] Σχήµα 7. Σχηµατικό διάγραµµα συστήµατος ΣΣΣΣ µε δύο ταχύτητες [6]. 7

Βασικές αρχές λειτουργίας: Ο Α/Κ µπορεί να συνδέεται µε δύο ασύγχρονες γεννήτριες µέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Η µικρότερη γεννήτρια έχει ένα πιο χαµηλό σύγχρονο αριθµό στροφών και η µεγαλύτερη γεννήτρια έχει ένα υψηλότερο σύγχρονο αριθµό στροφών. Σε αυτά τα συστήµατα, επίσης, είναι δυνατόν να συναντήσουµε την περίπτωση µιας γεννήτριας µε δύο τυλίγµατα-κάθε τύλιγµα έχει ένα διαφορετικό αριθµό πόλων (σχ. 7). Τα συστήµατα µε τη λειτουργία δύο ταχυτήτων έχουν διάφορα πλεονεκτήµατα. Στην εκκίνηση χρησιµοποιείται η µικρότερη µηχανή (η οποία έχει υψηλότερες αυτεπαγωγές και αντιστάσεις σκέδασης) για την εκκίνηση. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το ρεύµα να είναι χαµηλότερο. Όταν η ταχύτητα του ανέµου φτάσει σε µία συγκεκριµένη τιµή, αποσυνδέεται το τύλιγµα χαµηλής ταχύτητας από το τριφασικό δίκτυο και συνδέεται το τύλιγµα υψηλής ταχύτητας. Συνήθως υπάρχει µία πολύ µικρή περιοχή ταχυτήτων, όπου και τα δύο τυλίγµατα είναι συνδεδεµένα. Όταν η γεννήτρια συνδέεται µε το τύλιγµα χαµηλής ταχύτητας, το σύστηµα ελέγχου στροφής των πτερυγίων γύρω από τον άξονά τους ( pitch control ) δεν είναι συνήθως ενεργό, επειδή η ταχύτητα ανέµου είναι χαµηλή. Σε έναν Α/Κ µε pitch control ο ηλεκτρονικός ελεγκτής του Α/Κ ελέγχει την παραγωγή ισχύος του Α/Κ αρκετές φορές ανά δευτερόλεπτο. Όταν η παραγωγή ισχύος γίνεται πάρα πολύ υψηλή, στέλνει µια εντολή στο µηχανισµό στροφής των πτερυγίων, ώστε τα πτερύγια να αποκλίνουν ελαφρώς από την κατεύθυνση του ανέµου. Αντιθέτως, τα πτερύγια επιστρέφουν στην αρχική τους θέση, όταν ο η ταχύτητα του ανέµου µειώνεται πάλι. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας τα πτερύγια θα στραφούν κατά µία µοίρα στη φορά-και ο έλικας θα στρίβει συγχρόνως. Ο σχεδιασµός ενός τέτοιου Α/Κ απαιτεί πολύ προσοχή, ώστε να είναι σίγουρο ότι τα πτερύγια στρίβουν ακριβώς όσο απαιτείται. Σε έναν Α/Κ µε αυτόν τον έλεγχο, ο ελεγκτής θα στρέψει τα πτερύγια ορισµένες µοίρες κάθε φορά που αλλάζει ο αέρας, προκειµένου να κρατηθούν τα πτερύγια στη βέλτιστη γωνία για να µεγιστοποιηθεί η παραγωγή ισχύος για όλες τις ταχύτητες ανέµου. Ο έλεγχος στροφής των πτερυγίων γίνεται συνήθως µε υδραυλικά µέσα. Όµως πραγµατοποιείται και µε τη χρήση ηλεκτρικών µέσων. 3.2 Συστήµατα Μεταβλητής Ταχύτητας (Σταθερής Συχνότητας Μεταβλητών Στροφών Στη δεύτερη κατηγορία-συστήµατα Μεταβλητής Ταχύτητας (ή αλλιώς Σταθερής Συχνότητας-Μεταβλητών Στροφών)- οι Α/Γ µε αυτόν τον τύπο ελέγχου έχουν αναπτυχθεί εντυπωσιακά τα τελευταία χρόνια. Η λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα µπορεί να επιτευχθεί µόνο µε την αποσύζευξη της ηλεκτρικής συχνότητας του δικτύου και της µηχανικής συχνότητας. Για αυτόν τον λόγο οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος, όπως ένας µετατροπέας συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόµενη τάση, συνδυάζονται µε τα προηγµένα συστήµατα ελέγχου. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα παρακάτω συστήµατα: 8

3.2. 1 Σύστηµα µεταβλητής ταχύτητας µε γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας [4, 6] Σχήµα 8. Σχηµατικό διάγραµµα του συστήµατος µεταβλητής ταχύτητας µε γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας [6] Βασικές αρχές λειτουργίας: Αποτελείται από µια ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δροµέα µε τα τυλίγµατα του στάτη απευθείας συνδεδεµένα µε το τριφασικό δίκτυο και µε τα τυλίγµατα του δροµέα συνδεδεµένα µέσω δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών µε ένα µετατροπέα ισχύος ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ( back to back AC/DC/AC ). Ο µετατροπέας είναι διπλής κατεύθυνσης ισχύος. Αποτελείται από δύο ανεξάρτητα ελεγχόµενους µετατροπείς τάσεις (ΜΠΤ), που συνδέονται σε ένα κοινό ζυγό συνεχούς ρεύµατος. Ο πυκνωτής µεταξύ των δύο µετατοπέων σταθεροποιεί την τάση (σχ. 8). Η συµπεριφορά της γεννήτριας εξαρτάται από αυτούς τους µετατροπείς και τους ελεγκτές τους τόσο στη µόνιµη κατάσταση όσο και σε συνθήκες σφαλµάτων. Οι µετατροπείς ελέγχουν την τάση του δροµέα κατά πλάτος και κατά φάση και ως εκ τούτου χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο της ενεργούς και άεργου ισχύος. Το σύστηµα αυτό επιτρέπει τη λειτουργία µεταβλητής ταχύτητας σε ένα µεγάλο, αλλά περιορισµένο εύρος. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα, η ισχύς που πρέπει να διαχειριστεί ο µετατροπέας να είναι περίπου στο 30% της ονοµαστικής ισχύος της γεννήτριας. Έτσι το µέγεθος του µετατροπέα είναι αντίστοιχο της ισχύος, που διαχειρίζεται αυτός, δηλαδή της «ισχύος ολίσθησης», το οποίο είναι αρκετά µικρό σε σχέση µε την ονοµαστική ισχύ. Αυτό οδηγεί σε µείωση του κόστους του µετατροπέα. Αξίζει να σηµειωθεί ότι, επειδή το εύρος της ταχύτητας είναι περιορισµένο, η επαγόµενη τάση είναι ένα κλάσµα αυτής του δικτύου και συγκεκριµένα εξαρτάται από το λόγο των τυλιγµάτων µεταξύ του δροµέα και του στάτη. Η τάση του ζυγού συνεχούς ρεύµατος είναι σχετικά χαµηλή. 9

Το σύστηµα αυτό χρησιµοποιείται για να επιτευχθεί ένα µεγάλο εύρος λειτουργίαςαπό την υποσύγχρονη µέχρι την υπερσύγχρονη λειτουργία, δηλαδή η γεννήτρια να λειτουργεί και µε θετική και µε αρνητική ολίσθηση. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί στην περίπτωση που ο µετατροπέας ισχύος µπορεί να λειτουργήσει µε ροή ισχύος και προς τις δύο κατευθύνσεις. Αυτός είναι και ο λόγος που χρησιµοποιείται η τοπολογία του ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ µετατροπέα διπλής κατεύθυνσης. Η ολίσθηση ορίζεται ως εξής: όπου n syn και n gen είναι αντίστοιχα η σύγχρονη ταύτητα και η ταχύτητα της γεννήτριας σε στροφές ανά λεπτό ( rpm ). Υποθέτοντας ότι όλες οι απώλειες στα κυκλώµατα του στάτη και του δροµέα µπορούν να αµεληθούν, η ισχύς µέσω του µετατροπέα ισχύος και η αποδιδόµενη ισχύς του στάτη, βασισµένη στην ισχύ που αποδίδεται στο δίκτυο P grid ή στη µηχανική ισχύ, µπορούν να εκφραστούν ως εξής: όπου η gen είναι ο βαθµός απόδοσης της γεννήτριας. Εξαρτώµενη από τις λειτουργικές συνθήκες του άξονα οδήγησης, η ισχύς αποδίδεται προς το δροµέα ή αναχωρεί από αυτόν: ρέει από το δίκτυο µέσω του µετατροπέα προς τον δροµέα ( Protor < 0 ) στην υποσύγχρονη κατάσταση, ή αντίστροφα ( Protor > 0 ) στην υπερσύγχρονη κατάσταση. Όµως, ο στάτης και στις δύο περιπτώσεις τροφοδοτεί το δίκτυο ( Pgrid > 0 ). Η παρουσία του µετατροπέα ισχύος επιτρέπει στην γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας µία πιο ευέλικτη λειτουργία σε σχέση µε µία γεννήτρια βραχυκυκλωµένου κλωβού. Επίσης, πετυχαίνει απόζευξη της µηχανικής από την ηλεκτρική συχνότητα µέσω ρευµάτων µεταβλητής συχνότητας στο δροµέα, πάντα σύµφωνα όµως µε την ταχύτητα του άξονα. Μέσω δαχτυλίων, ο µετατροπέας τροφοδοτεί τα τυλίγµατα του δροµέα µε τάση µεταβλητού πλάτους και συχνότητας και έτσι µπορεί να επιτευχθεί έλεγχος της αέργου ισχύος, εφόσον η γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας είναι ικανή να παράγει ή να απορροφήσει άεργο ισχύ προς ή από το δίκτυο, µε τη δυνατότητα ελέγχου της τάσης. Επιπλέον, επιτυγχάνεται η απόζευξη του ελέγχου ενεργού και άεργου ισχύος µε ανεξάρτητο έλεγχο του ρεύµατος του δροµέα. Επίσης, ο µετατροπέας ισχύος µπορεί να µαγνητίσει τη µηχανή µέσα από το κύκλωµα του δροµέα, ανεξάρτητα από την τάση του δικτύου. 10

3.2.2 Σύστηµα µεταβλητής ταχύτητας µε πλήρη µετατροπή [6] Σχήµα 9. Σχηµατικό διάγραµµα του συστήµατος µε Πλήρη Μετατροπή [6] Η ορολογία πλήρης µετατροπή χρησιµοποιείται εδώ, επειδή υπάρχει µόνο µια ηλεκτρική σύνδεση στη γεννήτρια και όλη η ισχύς µεταφέρεται µέσω αυτής της σύνδεσης στον πλήρως διαστασιολογηµένο µετατροπέα ισχύος για τη διασύνδεση µε το δίκτυο. Συγκρίνοντας τις δυο µεθόδους µεταβλητής ταχύτητας, ένα πλεονέκτηµα που µπορεί να παρατηρηθεί στην περίπτωση της διπλά τροφοδοτούµενης γεννήτριας, είναι ότι οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος διαστασιολογούνται έτσι ώστε να «περνάει» το 1/3 της συνολικής ισχύος από αυτούς. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς να είναι και πιο φθηνοί από αυτούς που χρησιµοποιούνται στην περίπτωση του συστήµατος µε «πλήρη µετατροπή». Επίσης, σε αυτήν την περίπτωση έχουµε και λιγότερες απώλειες ισχύος σε σχέση µε το σύστηµα µε «πλήρη µετατροπή», εφόσον εκµεταλλευόµαστε µια πολύ µεγαλύτερη περιοχή ταχυτήτων ανέµου και κυρίως επειδή χρησιµοποιούµε και πολύ χαµηλές ταχύτητες ανέµου. Ακόµα, ένα άλλο πλεονέκτηµα της διπλά τροφοδοτούµενης γεννήτριας είναι ότι παράγει µεγαλύτερη ισχύ για δεδοµένη ταχύτητα ανέµου και ο έλεγχος των σηµαντικών µεγεθών της είναι πιο εύκολος. Τέλος, κάνοντας µια σύγκριση µεταξύ των δύο κατηγοριών (ΣΣΣΣ-ΣΣΜΣ), παρατηρούµε ότι οι ανεµογεννήτριες σταθερής ταχύτητας είναι απλές στην κατασκευή και έτσι τείνουν να είναι φτηνότερες από αυτές που χρησιµοποιούν τη µέθοδο της µεταβλητής ταχύτητας. Εντούτοις, δεδοµένου ότι δεν µπορούν να ακολουθήσουν την πάντα µεταβαλλόµενη ταχύτητα του ανέµου, η µετατροπή της ενέργειας δεν είναι τόσο αποδοτική όσο στα συστήµατα σταθερής ταχύτητας. Όπως είναι γνωστό, ένας ανεµοκινητήρας έχει το µέγιστο συντελεστή ισχύος (Cp) στην καθορισµένη από τον κατασκευαστή τιµή του λόγου ακροπτερυγίου του (tip speed ratio). Για τη σταθερής ταχύτητας λειτουργία, αυτός ο µέγιστος συντελεστής ισχύος µπορεί να επιτευχθεί σε συγκεκριµένη ταχύτητα ανέµου. Τα παραπάνω απεικονίζονται στο σχήµα 10. Εδώ, V1 11

είναι η ταχύτητα ανέµου, στην οποία ο Α/Κ λειτουργεί µε µια ταχύτητα N1 και παράγει µια ισχύ P1. Σε αυτήν την ταχύτητα ανέµου, ο Α/Κ λειτουργεί στο µέγιστο συντελεστή ισχύος. Όµως, όταν µεταβάλλεται η ταχύτητα ανέµου από V1 σε V2, δεδοµένου ότι το σύστηµα σταθερής ταχύτητας µπορεί να λειτουργήσει µόνο µε την ίδια ταχύτητα N1, η ισχύ που αναπτύσσεται είναι P2. Κατά συνέπεια, η µέγιστη ισχύ P3 που παράγεται από το δροµέα για ταχύτητα ανέµου V2 δεν χρησιµοποιείται πλήρως από το σύστηµα, δεδοµένου ότι ο Α/Κ πρέπει να λειτουργήσει µε τη σταθερή ταχύτητά του N1. Σχήµα 10. Ισχύς Α/Κ συναρτήσει ταχύτητας δροµέα σε δύο διαφορετικές ταχύτητες ανέµου [8]. Αφ' ετέρου, στην περίπτωση της λειτουργίας µε µεταβλητή ταχύτητα, το σύστηµα µπορεί να σχεδιαστεί για να λειτουργήσει µε µια ταχύτητα N2 για ταχύτητα ανέµου V2 και έτσι θα έχουµε ως αποτέλεσµα την παραγωγή µεγαλύτερης ισχύος P3 σε αυτήν την ταχύτητα. Συµπεραίνουµε, λοιπόν, ότι η λειτουργία µε µεταβλητή ταχύτητα επιτρέπει στον Α/Κ να λειτουργήσει σε βέλτιστο επίπεδο σε ένα ευρύ φάσµα ταχυτήτων ανέµου. Με άλλα λόγια, επιτρέποντας στον Α/Κ να λειτουργήσει µε µεταβλητή ταχύτητα, η εκµετάλλευση ενέργειας µπορεί να µεγιστοποιηθεί. Αυτό είναι ιδιαίτερα θετικό σε τοποθεσίες µε ιδιαίτερα µεταβαλλόµενες συνθήκες αέρα. Η ενέργεια µπορεί να είναι 8% έως 15% µεγαλύτερη σε µερικές συγκεκριµένες περιοχές [8]. Λειτουργώντας τον Α/Κ µε σταθερή ταχύτητα µε µεταβαλλόµενη ισχύ οδηγούµαστε σε διακυµάνσεις στη ροπή της µηχανής. Όταν όµως, η ταχύτητα επιτρέπεται να µεταβάλλεται, η ροπή µπορεί να κρατηθεί σχεδόν σταθερή µέσα σε ένα ευρύ φάσµα ισχύος. Αυτό µειώνει τις καταπονήσεις, που επιβάλλονται στα τµήµατα της κατασκευής και έτσι ο Α/Κ µπορεί να γίνει ελαφρύτερος και φτηνότερος. Ο δροµέας, που λειτουργεί µε µεταβλητή ταχύτητα, µπορεί να απορροφήσει την υπερβολική ενέργεια λόγω µιας ριπής ανέµου µε το να επιταχύνει και να την δώσει στο σύστηµα, όταν µειώνεται η ταχύτητα του ανέµου. εδοµένου ότι η περιστροφική ταχύτητα είναι χαµηλή στις χαµηλότερες ταχύτητες ανέµου, οι Α/Κ µε µεταβλητή ταχύτητα είναι λιγότερο θορυβώδεις καθιστώντας τους ηχητικά αποδεκτές. 12

Εντούτοις, οι Α/Γ αυτές απαιτούν σύνθετους και δαπανηρούς ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος. Παρόλα τα µειονεκτήµατά τους, οι Α/Γ µεταβλητής ταχύτητας είναι πολύ δηµοφιλείς στις µέρες µας. ιάφορες εταιρείες κατασκευής αιολικών πάρκων επιλέγουν Α/Γ µεταβλητής ταχύτητας, ειδικά για τις παράκτιες κατασκευές τους. 4. Συστήµατα µετατροπής Αιολικής Ενέργειας σε Ηλεκτρική χρησιµοποιώντας την Τεχνολογία CASCADE - ιερεύνηση λειτουργικής συµπεριφοράς µέσω προσοµοίωσης [1],[10] Το σύστηµα του σχήµατος 8 συνήθως ονοµάζεται σύστηµα µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική µε τεχνολογία CASCADE και ανήκει στην κατηγορία των συστηµάτων µε µεταβλητή ταχύτητα και πιο συγκεκριµένα στα συστήµατα µε γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Παρακάτω ακολουθούν η απεικόνιση του συνολικού µοντέλου του συστήµατος µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική στο περιβάλλον Matlab καθώς και κυµµατοµορφές διαφόρων µεγεθών της γεννήτριας, όπως επίσης και των µετατροπέων. Ανάλογα µε την περιοχή συχνοτήτων που έχουµε, χρησιµοποιούνται τρία είδη µοντέλων προσοµοίωσης συστηµάτων µετατροπής ενέργειας, που βασίζονται σε µετατροπείς τάσης και συνδέονται µε το δίκτυο. Αυτά είναι τα παρακάτω : α) Το λεπτοµερές µοντέλο, το οποίο χρησιµοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας µελέτης. Το µοντέλο αυτό περιλαµβάνει λεπτοµερή αναπαράσταση των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος µε στοιχεία IGBT. Προκειµένου να πετύχουµε µια αποδεκτή ακρίβεια µε τη διακοπτική συχνότητα των 1620 Hz, που έχει επιλεγεί από το δηµιουργό του µοντέλου, το µοντέλο πρέπει να διακριτοποιηθεί µε ένα µικρό βήµα χρόνου (5µsec). Αυτό το µοντέλο είναι πάρα πολύ καλό για να µελετήσουµε το περιεχόµενο των ανώτερων αρµονικών και τον έλεγχο της δυναµικής κατάστασης του συστήµατος σε σχετικά µικρά διαστήµατα χρόνου (τα οποία συνήθως κυµαίνονται από εκατοντάδες msec έως 1sec). β) Το µέσο µοντέλο, όπου οι µετατροπείς αναπαρίστανται µε ισοδύναµες πηγές τάσης παράγοντας εναλλασσόµενη τάση. γ) Το µοντέλο µε µιγαδικά διανύσµατα, το οποίο είναι καλύτερο για προσοµοίωση ηλεκτροµηχανικών µετατροπών για πολύ µεγάλα διαστήµατα χρόνου (δεκάδες seconds µέχρι και λεπτά). Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε για προσοµοίωση ένα αιολικό πάρκο ισχύος 9 MW, το οποίο αποτελείται από έξι ανεµογεννήτριες 1,5 MW η καθεµία και είναι συνδεδεµένο µε ένα δίκτυο 120 kv όπως φαίνεται στο σχήµα 11. Εκτός από το δίκτυο αυτό υπάρχει και ένα φορτίο 500 kw καθώς και ένα φίλτρο 0,9 MVar (Q=50) στο δίαυλο µεταφοράς 575V. Οι παράµετροι της ανεµογεννήτριας υπάρχουν σε ένα ξεχωριστό 13

αρχείο, το οποίο «τρέχει» αυτόµατα στην αρχή της προσοµοίωσης, προκειµένου να φορτώνονται αµέσως στο χώρο εργασίας στο Matlab οι παράµετροι του ανεµοκινητήρα ισχύος 6x1,5 MW (καθώς οι 6 ανεµογεννήτριες µοντελοποιούνται ως µία). Στην προσοµοίωση αυτή, θεωρήσαµε την ταχύτητα του ανέµου σταθερή και ίση µε 10 m/s. Το σύστηµα ελέγχου χρησιµοποιεί έναν ελεγκτή της ροπής, για να διατηρήσει την ταχύτητα στην τιµή 1,09 pu. Η άεργος ισχύς, που παράγεται από την ανεµογεννήτρια ρυθµίζεται στα 0 MVar. Ο χρόνος δειγµατοληψίας, που χρησιµοποιείται για διακριτοποίηση του µοντέλου (T s _Power=5 msec), όπως επίσης και χρόνος δειγµατοληψίας, που χρησιµοποιείται από τον ελεγκτή(t s _Control=100 µsec), είναι καθορισµένοι στη συνάρτηση αρχικοποίησης των παραµέτρων του µοντέλου. Τέλος, η µηχανική ισχύς της ανεµογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου εξετάζεται για ταχύτητες από 6 m/s-13 m/s. Για ταχύτητα ανέµου 10 m/s, η µέγιστη έξοδος της ανεµογεννήτριας είναι 0,55 pu της ισχύος της (0.55x9 MW=4,95 MW) σε µια ταχύτητα ίση µε 1,09 pu της σύγχρονης ταχύτητας της γεννήτριας. Σχήµα 11. Απεικόνιση του συνολικού συστήµατος µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική στο περιβάλλον του Matlab [10] Στην προσοµοίωση αυτή, εκτός των άλλων εξετάσθηκε η απόκριση του συστήµατος όταν συµβεί ένα αποµακρυσµένο σφάλµα στο δίκτυο των 120 kv. Ανοίγοντας το αντίστοιχο µπλοκ, που µοντελοποιεί µια πηγή τάσης, βλέπουµε πώς µπορούµε να προγραµµατίσουµε µια πτώση τάσης σε κάποια χρονική στιγµή. Οι 14

αρχικές τιµές του συστήµατος έχουν καθοριστεί έτσι, ώστε η λειτουργία του να ξεκινάει από τη µόνιµη κατάσταση. Για τη συγκεκριµένη επιλογή των παραµέτρων του συστήµατος το συνολικό αρµονικό περιεχόµενο (THD) είναι της τάξης του 2,2% στο δίαυλο Β25 των 25kV. Σχήµα 12. Ρεύµατα, τάσεις στους δύο ζυγούς, ενεργός και άεργος ισχύς και συνεχής τάση συναρτήσει του χρόνου (αποτελέσµατα προσοµοίωσης). 15

Σχήµα 13. Τάση µεταξύ φάσεων a-b του στάτη συναρτήσει του χρόνου. Σχήµα 14. Ρεύµατα στις φάσεις του στάτη συναρτήσει του χρόνου. 16

Σχήµα 15. Ρεύµατα στις φάσεις του µετατροπέα από την πλευρά του δικτύου συναρτήσει του χρόνου. Σχήµα 16. Ρεύµατα στις φάσεις του δροµέα συναρτήσει του χρόνου. Από τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης, που πραγµατοποιήθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, διαπιστώνουµε ότι η χρήση της τεχνολογίας CASCADE στα συστήµατα µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική έχει θετικές, αλλά και αρνητικές επιπτώσεις. Οι θετικές είναι, ότι έχουµε µεγαλύτερη εκµετάλλευση της αιολικής ενέργειας και µάλιστα σε µικρές ταχύτητες ανέµου. Επιπλέον, διαπιστώνεται ότι σε 17

περίπτωση σφάλµατος το σύστηµα επανέρχεται σε µικρό χρονικό διάστηµα (ο χρόνος εκκαθάρισης του σφάλµατος είναι µικρός). Ακόµα, παρατηρούµε ότι οι κυµατοµορφές των βασικών µεγεθών (τάσεις και ρεύµατα) είναι πολύ κοντά στις επιθυµητές (ηµιτονοειδής µορφή). Επίσης, χρησιµοποιώντας τη συγκεκριµένη τεχνολογία µπορούµε να πετύχουµε καλύτερο έλεγχο του συστήµατος, αφού χρησιµοποιούµε ηλεκτρονικά στοιχεία σύγχρονης τεχνολογίας µε αρκετά υψηλές διακοπτικές ταχύτητες και αρκετά καλές αποκρίσεις. Έτσι, επιτυγχάνεται καλύτερη µελέτη διαφόρων φαινοµένων του συγκεκριµένου συστήµατος, αλλά και εύρεση βέλτιστων λύσεων σε αυτά. Όµως, ένα µειονέκτηµα που έχουν αυτά τα συστήµατα είναι η εµφάνιση αρµονικών, οι οποίες είναι αρκετά έντονες σε µεγάλες ταχύτητες ανέµου. Οι αρµονικές αυτές οφείλονται στη διακοπτική λειτουργία των ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος. Η κύρια αιτία εµφάνισης των αρµονικών αυτών είναι η ύπαρξη του µετατροπέα στο δροµέα. Οι αρµονικές αυτές όµως αντιµετωπίζονται πλέον τοποθετώντας ένα φίλτρο εσωτερικά του µετατροπέα. Επίσης, αξίζει να σηµειωθεί ότι οι τάσεις στο δροµέα, που προέκυψαν από την παλµοδότηση µε υψηλές συχνότητες, προκαλούν αρµονικές στα ρεύµατα του δροµέα και έτσι µεταφέρονται και στα ρεύµατα του στάτη. Όλες αυτές οι αρµονικές µέσω του µετασχηµατιστή θα εισέλθουν στο δίκτυο. Για αυτό το λόγο, τοποθετούµε ένα φίλτρο µετά το µετατροπέα που συνδέεται µε το δροµέα της Α. Μ. πρός την πλευρά του δικτύου, το οποίο µειώνει αυτές τις αρµονικές. Τέλος, επισηµαίνεται ότι γίνεται µεγάλη προσπάθεια για την εξεύρεση λύσεων, προκειµένου να αντιµετωπιστούν και να εξαλειφθούν οι αρµονικές αυτές [14, 15]. Επισηµαίνεται ότι σύµφωνα µε τις ανακοινώσεις από τους κατασκευαστικούς οίκους η τεχνολογία CASCADE χρησιµοποιείται σε αιολικά πάρκα µε µονάδες µεγάλης ισχύος π.χ. 850 kw, 2 MW και 3 MW [16, 17, 18]. Συµπεραίνεται, λοιπόν, ότι η συγκεκριµένη τεχνολογία αρχίζει και χρησιµοποιείται και σε µεγάλης ισχύος εφαρµογές και αναµένεται σταδιακά να αντικαταστήσει πλήρως τη µέχρι τώρα χρησιµοποιούµενη τεχνολογία σε αυτά τα συστήµατα (συστήµατα µεταβλητής ταχύτητας πλήρους µετατροπής). Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την έντονη ανάπτυξη της συγκεκριµένης τεχνολογίας σε ερευνητικό επίπεδο. Ειδικά τα τελευταία χρόνια γίνεται όλο και πιο εντατική έρευνα σε σχέση µε τα συστήµατα που χρησιµοποιούν τη συγκεκριµένη τεχνολογία, προκειµένου να διαπιστωθεί αν υπάρχουν και άλλα «προβλήµατα» καθώς επίσης να βρεθούν και οι λύσεις αυτών. Επιπλέον, ερευνάται η χρήση των συστηµάτων αυτών και σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις (π.χ. σε αποµονωµένα συστήµατα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και κυρίως σε «συνεργασία» µε συµβατά συστήµατα παραγωγής, όπως ντιζελοµηχανές) [13]. 5. Συµπεράσµατα Στην εργασία αυτή παρουσιάστηκαν τα σύγχρονα συστήµατα µετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική και ιδιαίτερα τα συστήµατα µεταβλητών στροφών µε τεχνολογία CASCADE. Επίσης, πραγµατοποιήθηκε και µία σύγκριση των συστηµάτων αυτών µε βάση τα λειτουργικά τους χαρακτηριστικά. Ακόµα, από τα αποτελέσµατα της 18

προσοµοίωσης που πραγµατοποιήθηκε στο πλαίσιο αυτής της µελέτης προέκυψε ότι τα συστήµατα µεταβλητών στροφών έχουν πολλά πλεονεκτήµατα εφόσον µπορούµε να ρυθµίζουµε τις στροφές της γεννήτριας σύµφωνα µε την ταχύτητα του ανέµου, ώστε να εκµεταλλευόµαστε µεγαλύτερο φάσµα ταχυτήτων για την παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, προέκυψε ότι τα συστήµατα µεταβλητών στροφών, που χρησιµοποιούν ως βάση την τεχνολογία CASCADE, επιτυγχάνουν εκµετάλλευση αρκετά χαµηλών ταχυτήτων ανέµου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά εµφανίζονται κάποιες ανώτερες αρµονικές στην τάση και στα ρεύµατα, για τις οποίες θα πρέπει να ληφθεί ειδική µέριµνα για την εξάλειψή τους, ώστε να µη δηµιουργηθούν περαιτέρω προβλήµατα στο δίκτυο. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1].. Γ. Γκιαουράκης: «ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΣΩ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ», ιπλωµατική εργασία Νο252, Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήµιο Πατρών, Πάτρα 2007. [2]. ΥΠ.ΑΝ.: 3 η ΕΘΝΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΕΠΙΠΕ Ο ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟ ΕΤΟΣ 2010 (ΑΡΘΡΟ 3 Ο ΗΓΙΑΣ 2001/77/ΕΚ [3]. Νικόλαος Α.Βοβός : «ΑΝΑΛΥΣΗ, ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Θεσσαλονίκη 2004. [4]. Ι. Τσούµας : ιδακτορική διατριβή : «υναµική ανάλυση και ανάπτυξη µεθόδων διάγνωσης σφαλµάτων ελεγχόµενου κινητηρίου συστήµατος αποτελούµενου από ασύγχρονη µηχανή δακτυλιοφόρου δροµέα και ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος», Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήµιο Πατρών, Πάτρα 2007. [5]..Ε.Σ.Μ.Η.Ε.,«Προβλέψεις Ζήτησης Ενέργειας και Ισχύος και υνατότητες Κάλυψης της Ζήτησης στο Εθνικό ιασυνδεδεµένο Σύστηµα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (Ε ΣΜ) Περίοδος : 2003 2007», Αθήνα, 2002. [6]. Περιοδικό «ΕΝΕΡΓΕΙΑ», Τεύχος 45, εκέµβριος 1999 Ιανουάριος 1999. [7]. Dimitrios Giaourakis, Athanasios Safacas: Technological Developments in the Wind Potential Conversion to Electric Energy, International Congress SUNLIFE Renewable Energy: from the past towards the Future, Lecce, Italy, May 2008. [8]. Sathyajith Mathew: Wind energy: Fundamentals, Resource Analysis and Economics, Springer, Berlin-Heidelberg, 2006. [9]. Impact of past, present and future wind turbines technologies on transmission system operation and performance, California Energy Commission Public Interest Energy Research Program, May 2006. 19

[10]. Matlab&Simulink v.r2007b, Wind Turbine Doubly-Fed Induction Generator (Average model) Help files. [11]. A.J. Pujante-Lopez E. Gomez-Lazaro J.A. Fuentes-Moreno A. Molina-Garcia A. Vigueras-Rodriguez: Performance comparison of a 2 MW DFIG wind turbine model under wind speed variations, EWEC2009, Marseille, 2009. [12].. Κ. Παπαµαντέλου: «Πράσινη ανάπτυξη made in Greece», άρθρο στην «Κυριακάτικη Ελευθεροτυπία», 7 Φεβρουαρίου 2010. [13]. Gonzalo Abad, Miguel Ángel Rodríguez, Grzegorz Iwanski : Standalone Doubly Fed Induction Machine based Generation Systems, tutorial of EVER2009, Monako, 2009. [14]. Przemyslaw Janik, Zbigniew Leonowicz, Jacek Rezmer, Steffen Schostan, Detlef Schulz : ADVANCED SIGNAL PROCESSING METHODS FOR EVALUATION OF HARMONIC DISTORTION CAUSED BY DFIG WIND GENERATOR. [15]. S. Schulz, R. Doebbelin, and A. Lindemann: Investigation of Coupling of EMC Disturbances in Doubly Fed Induction Generators, PIERS Proceedings, Moscow, Russia, August 18-21, 2009. [16]. E. Muljadi, C.P. Butterfield, D. Handman: Dual-Speed Wind Turbine Generation, Prepared for AWEA Windpower 96, Denver, Colorado, June 23-27, 1996. [17]. www.whyfiles.org, ικτυακός τόπος, 17/11/2006. [18]. www.oikipa.gr, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [19]. www.cres.gr/kape/datainfo/maps.htm, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [20].www.energypoint.gr/ananewsimes_piges_energeia/ektimisi_aiolikoy_dynamikoy_ 2.html, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [21]. www.gamesacorp.com/en, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [22]. http://www.windenergysolutions.nl/, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [23].http://www.vestas.com/en/wind-power-solutions.aspx, ικτυακός τόπος, 01/02/2010. [24].www.windpower.org, ικτυακός τόπος ανέζικου Οργανισµού Αιολικής Ενέργειας, 17/11/2006. 20