ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΩ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Σωκράτης Παστρωμάς Διπλ/χος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών Υποψήφιος Διδάκτορας Παν. Πατρών Αθανάσιος Σαφάκας Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο την αιολική ενέργεια και πραγματεύεται κύρια το θέμα της διασύνδεσης αιολικών πάρκων με το δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Στα πλαίσια της παρούσης εργασίας γίνεται αναφορά στους λόγους που οδήγησαν στην ευρεία εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Το κύριο μέρος της εργασίας αφορά στη διασύνδεση αιολικών πάρκων είτε με τη μεσολάβηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος μεταξύ ανεμογεννήτριας και δικτύου είτε με κατευθείαν σύνδεση αυτής με το δίκτυο. Σε αυτό περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η διασύνδεση ανεμογεννητριών με το δίκτυο δίνοντας βάρος σε πρακτικά και τεχνικά ζητήματα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αιολική ενέργεια αποτελεί την κυριότερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και βρίσκεται σε μεγάλη άνθηση την τελευταία δεκαετία στην Ευρώπη αλλά και παγκόσμια. Η χώρα μας έδειξε έντονο ενδιαφέρον από το 2000 και έπειτα αποφασίζοντας να εκμεταλλευτεί το πλούσιο αιολικό δυναμικό και να δώσει ώθηση σε μεγάλες επενδύσεις προς αυτή την κατεύθυνση η οποίες θα εμφανίζουν συνεχώς αυξητικές τάσεις στο μέλλον λόγω της σχετικής Ευρωπαϊκής οδηγίας. 2. ΣΤΡΟΦΗ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) και για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν 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. Αφορμή γι` αυτό 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 οποιασδήποτε μορφής αξιοποιήσιμης ενέργειας, είναι «πεπερασμένα» και «περιορισμένα». Σε αυτό βοήθησε η χρήση ειδικών δορυφόρων οι οποίοι χαρτογράφησαν τα αποθέματα του «μαύρου χρυσού». Με την πάροδο των χρόνων, η εξέλιξη της τεχνολογίας και κατά συνέπεια της βιομηχανίας ήρθε να δημιουργήσει νέα δεδομένα στην ανθρωπότητα. Η ανάγκη για ενέργεια εμφανίζει συνεχώς αυξητικές τάσεις παγκοσμίως και κατά συνέπεια και στην Ελλάδα. Στο σχήμα 1.1 απεικονίζεται η παγκόσμια - 1 -
ενεργειακή κατανάλωση τα έτη 1970-2025 ενώ στο σχήμα 1.2 οι ετήσιες αιχμές του ελληνικού διασυνδεδεμένου συστήματος. Η αύξηση της ζήτησης οφείλεται είτε στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου της ανθρωπότητας που δημιούργησε νέες καταναλωτικές ανάγκες και συνήθειες, είτε στις καιρικές συνθήκες, είτε σε άλλους παράγοντες. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα για την παραγωγή της να μειώνονται συνεχώς. Σχήμα 1.1: Παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση 1970-2025 [1]. Σχήμα 1.2: Ετήσιες Αιχμές Ελληνικού διασυνδεδεμένου 1988-2002 [1]. Στο σχήμα 1.3 παρουσιάζονται συγκεντρωμένα τα αποθέματα ορυκτού πλούτου για το έτος 1995 παγκοσμίως χωρισμένα σε τρεις ομάδες. H καύση τους έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή μιας μεγάλης ποικιλίας ρύπων όπως οξείδια του θείου (SO x ) και του αζώτου (NO x ), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) καθώς και μέταλλα μεγάλης πυκνότητας. Σχήμα 1.3: Αποθέματα / Παραγωγή αποθεμάτων στερεών καυσίμων [1]. - 2 -
Στο σχήμα 1.4 απεικονίζεται μια πρόβλεψη για την αύξηση των εκπομπών ρύπων οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για το φαινόμενο του θερμοκηπίου τα επόμενα χρόνια. Από εδώ διαπιστώνεται ότι η μόλυνση της ατμόσφαιρας αυξάνει εκθετικά αποδεικνύοντας ότι υπάρχει σοβαρό πρόβλημα για τον πλανήτη. Απόρροια αυτού είναι η τρύπα του όζοντος και το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το πρώτο απειλεί άμεσα τη δημόσια υγεία αφού η ατμόσφαιρα έπαψε πια να αποτελεί σωστό φίλτρο κατά των υπεριωδών ακτινοβολιών UVA-UVB οι οποίες είναι υπεύθυνες για διάφορες καρκινογενέσεις με κύρια αυτή του δέρματος. Το δεύτερο έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή των κλιματολογικών συνθηκών του πλανήτη που είναι εμφανείς ακόμη και στις μέρες μας. Αυτά οδήγησαν τον Ιούνιο του 1998 τους υπουργούς περιβάλλοντος των κρατών-μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης να υπογράψουν στο Λουξεμβούργο μια αμοιβαία συμφωνία προκειμένου να μειωθούν τα αέρια που ήταν υπεύθυνα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου (μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα κ.τ.λ.) κατά 8% μέχρι το 2012 σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990. Στα παραπάνω μπορούμε να προσθέσουμε το πρόβλημα διαχείρισης των αποβλήτων το οποίο είναι κρίσιμο τόσο για τη δημόσια υγεία όσο και για το περιβάλλον. Είναι γνωστή η ρύπανση των θαλασσών ή η καταστροφή οικοσυστημάτων εξαιτίας της αλόγιστης εναπόθεσης αποβλήτων. Η καταστροφή καλλιεργήσιμων εκτάσεων, η μόλυνση και πιθανώς η εξάντληση υδάτινων πόρων, η καταστροφή τόπων φυσικού κάλλους με αποτέλεσμα την εξάλειψη σπανίων ειδών πανίδας και άρα η Σχήμα 1.4: Παγκόσμιες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου [1]. διατάραξη ενός οικοσυστήματος ή βιοτόπων γενικότερα είναι μερικές από τις συνέπειες λανθασμένης και απερίσκεπτης διαχείρισης των αποβλήτων. Επιπρόσθετα αξίζει να αναφέρουμε και τα προβλήματα στην προμήθεια νερού που σταδιακά θα αρχίσουν να εμφανίζονται, αφού η προϋπόθεση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είτε από στερεά καύσιμα είτε από πυρηνικά είναι τα τεράστια ποσά νερού που απαιτούνται για την ψύξη των ατμοστροβίλων και των πυρηνικών αντιδραστήρων αντίστοιχα. Το νερό αποτελεί ένα πολύ καλό και προπάντων πολύ φθηνό ψυκτικό μέσο, επομένως απαραίτητο για την ομαλή λειτουργία των παραπάνω μονάδων παραγωγής. Ειδικά στην περίπτωση των πυρηνικών εργοστασίων ακόμη και των ατμοηλεκτρικών μονάδων παρά τα υψηλά επίπεδα ποιότητας του εξοπλισμού και των αυστηρών μέτρων ασφαλείας, υπάρχει πάντα ο κίνδυνος ατυχήματος ή σαμποτάζ με αποτέλεσμα τραγικές συνέπειες. Οι μνήμες από το ατύχημα στο Τσέρνομπιλ της Ρωσίας το 1986 είναι νωπές και οι συνέπειες εμφανείς ακόμη και σήμερα τόσο για την ίδια τη χώρα όσο και για τις γειτονικές χώρες. Οι μοριακοί βιολόγοι αναφέρουν τόσο εξωτερικά προβλήματα στους ανθρώπους της ευρύτερης περιοχής όσο και αλλοίωση στο γενετικό τους κώδικα με αποτέλεσμα την κληροδότηση των όποιων προβλημάτων σε επόμενες «αθώες» γενιές. - 3 -
Επιπλέον κάθε κράτος επιθυμεί ενεργειακή αυτονομία, ως εκ τούτου αναζητά τρόπους για να την αποκτήσει, ειδικά όταν είναι φτωχό σε ορυκτό ενεργειακό πλούτο, άρα οι ΑΠΕ αποτελούν πρόκληση προς αυτή την κατεύθυνση. Ακόμα ένα ευπρόσδεκτο χαρακτηριστικό των ΑΠΕ 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 στη δημιουργία νέων θέσεων εργασίας. Ειδικά για την χώρα μας αποτελεί ιστορική πρόκληση η δημιουργία μιας εθνικής βιομηχανίας για την εκμετάλλευση των ΑΠΕ αν και έχουν σημειωθεί κάποιες προσπάθειες τα τελευταία χρόνια προς την κατεύθυνση αυτή, όπως η κατασκευή της ανεμογεννήτριας «Πυρκάλ», από γνωστή εταιρεία. 3. ΕΥΡΕΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Την τελευταία πενταετία υπάρχει αλματώδης ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας τόσο σε ευρωπαϊκό όσο και σε διεθνές επίπεδο. Οι λόγοι για τους οποίους επιλέγεται αυτό το είδος «ανανεώσιμης πηγής ενέργειας» προκύπτουν από τη σύγκριση μεταξύ των άλλων μορφών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας η οποία δεν εμπίπτει στο σκοπό του παρόντος. Η αιολική ενέργεια εμφανίζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού: 1) Το βασικό «καύσιμο» παρέχεται δωρεάν απ` τη φύση, άφθονο και έτοιμο προς εκμετάλλευση χωρίς επιπλέον έξοδα. Το πετρέλαιο για παράδειγμα απαιτεί εξόρυξη, μεταφορά, επεξεργασία κ.τ.λ. 2) Είναι απολύτως ανανεώσιμη, αφού είναι πρακτικά ανεξάντλητη διότι προέρχεται από τον ήλιο. 3) Είναι άφθονη όπως είδαμε. Ο αέρας είναι ανεξάντλητη πηγή. Υπάρχει αρκετό αιολικό δυναμικό στον πλανήτη που μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες κατά 4 φορές περισσότερο. Λιγότερο από 1% του παγκόσμιου αιολικού δυναμικού αξιοποιείται αυτή τη στιγμή [2]. 4) Είναι απολύτως καθαρή μορφή ενέργειας αφού δεν μολύνει το περιβάλλον επομένως είναι απόλυτα φιλική προς αυτό. 5) Αντίθετα με τα εργοστάσια με άνθρακα, πετρέλαιο ή πυρηνικά καύσιμα, τα αιολικά πάρκα δεν αφήνουν κατάλοιπα ή άλλα (επικίνδυνα) παραπροϊόντα. 6) Είναι ασφαλής επένδυση καθώς υπάρχουν τεράστια αποθέματα και το πιο σημαντικό, «η πρώτη ύλη» παρέχεται δωρεάν. Επομένως η απόσβεση του κεφαλαίου είναι δεδομένη. Όλα αυτά με την προϋπόθεση ότι η περιοχή εγκατάστασης είναι κατάλληλη. Ειδικά στην Ευρώπη που δεν υπάρχουν πολλά αποθέματα ορυκτών καυσίμων, υπολογίζεται ότι στο μέλλον το 70% των ενεργειακών αναγκών θα καλύπτεται από εισαγωγές! 7) Οικονομικά συμφέρουσα εξαιτίας της εξέλιξης της τεχνολογίας χρόνο με το χρόνο και συνεπώς το κόστος εγκατάστασης αιολικών πάρκων είναι συγκρίσιμο με αυτό των συμβατικών. 8) Παρέχει αυτονομία. Στην Ευρώπη τα ήδη εγκατεστημένα αιολικά πάρκα ικανοποιούν τις ηλεκτρικές ανάγκες πάνω από 40.000.000 Ευρωπαίων. Η αυτονομία που παρέχει είναι τόσο σε εθνικό επίπεδο, εφόσον μειώνονται οι εισαγωγές ηλεκτρικής ισχύος, αλλά και σε ατομικό επίπεδο αφού ο καθένας μπορεί να εγκαταστήσει στο χώρο του ανεμοκινητήρα σε οποιοδήποτε σημείο κι αν βρίσκεται. 9) Είναι τεχνολογία των τελευταίων ετών υπό εξέλιξη, άρα απορροφά χιλιάδες εργαζόμενους παγκοσμίως και συντελεί στην μείωση της ανεργίας. 10) Το κοινωνικό αγαθό, το ηλεκτρικό ρεύμα, μπορεί να πάει παντού ακόμη και σε ορεινές και δύσβατες περιοχές κάτι που στο παρελθόν ήταν οικονομικά ασύμφορο. 11) Τα αιολικά πάρκα αυξάνουν την αξιοπιστία του υπάρχοντος ισχυρού δικτύου και μπορούν να βοηθήσουν επαρκώς στην κάλυψη αιχμών. 12) Βοηθά στην μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων. 13) Προστατεύει κάποια ειδικά κτίρια, όπως εταιρειών τηλεφωνίας κ.α. στα οποία είναι απαραίτητη η παροχή ηλεκτρικής ισχύος ακόμη και όταν το υπόλοιπο κράτος είναι σε ολική διακοπή, από πρόσθετες δαπάνες για αυτονομία, όπως ντηζελογεννήτριες, οι οποίες εκτός από το κόστος αγοράς και συντήρησης που είναι αρκετά υψηλό απαιτούν συνεχή τροφοδότηση από συμβατικό καύσιμο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα και υψηλό κόστος λειτουργίας. Η αντικατάσταση αυτών των γεννητριών με ανεμογεννήτριες είναι οικονομικά συμφέρουσα και φιλική προς το περιβάλλον. 14) Μπορούν να παράγουν κατόπιν μετατροπής επιθυμητό είδος τάσης Ε.Ρ. (με ασύγχρονες ή σύγχρονες μηχανές) ή Σ.Ρ. (με μηχανές Σ.Ρ. με μόνιμους μαγνήτες) που είναι απαραίτητο για κάποιες ειδικές εφαρμογές. Για παράδειγμα σε κάθε εταιρεία σταθερής και κινητής τηλεφωνίας, τα κυκλώματά των ψηφιακών της - 4 -
κέντρων διαρρέονται από συνεχές ρεύμα. 15) Έχει μακρόπνοο ορίζοντα. Η αιολική βιομηχανία γνωρίζει αλματώδη ανάπτυξη και είναι ακόμα στο ξεκίνημα. Η αγορά των αιολικών έχει τη δυνατότητα να φτάσει στα 25.000.000.000 σε λιγότερο από επτά (7) χρόνια σύμφωνα με στοιχεία της EWEA. 16) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για οικιακή χρήση όσο και για ευρεία. Στην Ευρώπη και με ελάχιστες εξαιρέσεις παγκοσμίως (Ιαπωνία, Γερμανία, Σουηδία κ.τ.λ.) τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται μόνο σε οικιακές χρήσεις. 17) Λόγω της τεράστιας ανάπτυξης που αναφέρθηκε, προσδίδουν «κύρος» σε αυτόν που λειτουργεί ανεμογεννήτριες ή αιολικά πάρκα γενικότερα, αφού χρησιμοποιεί μοντέρνα τεχνολογία. 18) Τα αιολικά πάρκα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τουριστική εκμετάλλευση που μπορεί να οδηγήσει σε άνοδο του βιοτικού επιπέδου των ντόπιων και σε γνωστοποίηση της περιοχής που μέχρι τότε ήταν άγνωστη. 4. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Τα τελευταία χρόνια στην Ελλάδα υπάρχει έντονο ενδιαφέρον προς την αιολική ενέργεια. Η χώρα μας έχει πλούσιο αιολικό δυναμικό και γι` αυτό παρουσιάζεται μεγάλη άνοδος της εγκατεστημένης ισχύος από το 2000 και έπειτα. Αυτό μπορεί κάποιος να το διαπιστώσει από στοιχεία της EWEA [5], από όπου φαίνεται ότι Ελλάδα κάνει δειλά βήματα από το 1996 με 29MW ενώ το 2000 η ισχύς αυτή 6πλασιάζεται φτάνοντας τα 189MW. Από εκεί και μετά σημειώνονται επενδύσεις μεγάλου μεγέθους προς αυτή τη μορφή ενέργειας και μέχρι το τέλος του 2005 η εγκατεστημένη ισχύς είναι 412MW. Τη στιγμή που γράφεται το παρόν πολλά αιολικά πάρκα στην ελληνική επικράτεια βρίσκονται είτε σε φάση ανέγερσης είτε σε φάση δοκιμαστικής λειτουργίας. Να σημειωθεί δε ότι υπάρχουν πάρα πολλές προτάσεις για εγκατάσταση αιολικών πάρκων οι οποίες έχουν ήδη εγκριθεί από τη ρυθμιστική αρχή ενέργειας. Όσον αφορά στοιχεία από παραγωγή ενέργειας από αιολική ενέργεια σύμφωνα με στοιχεία του Διαχειριστή Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (Δ.Ε.Σ.Μ.Η.Ε.) το 2005 παρήχθησαν 943.786MW ενώ η πρόβλεψη καθώς και ο στόχος που έχει θέσει το ΥΠ.ΑΝ. είναι το 2010 να παραχθούν 3.630.582MW δηλαδή σχεδόν να τριπλασιαστεί. 5. ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕΣΩ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Δύο από τους τρόπους διασύνδεσης αιολικών πάρκων με το δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι είτε μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος είτε κατευθείαν. Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζεται η πρώτη περίπτωση βασιζόμενη στον τρόπο διασύνδεσης των ανεμογεννητριών μιας γνωστής γερμανικής εταιρείας ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες που κατασκευάζει η συγκεκριμένη εταιρεία έχουν το χαρακτηριστικό ότι η κάθε ηλεκτρογεννήτρια (σύγχρονη) είναι απευθείας οδηγούμενη (direct-driven) από τον ανεμοκινητήρα. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές της εταιρείας η τάση που παράγει η μηχανή είναι η ονομαστική (400V) εφόσον ο δρομέας (Α/Κ) περιστρέφεται μέσα στην περιοχή επιτρεπτών ταχυτήτων του και το μόνο μέγεθος που μεταβάλλεται είναι η συχνότητα που παράγει η γεννήτρια, η οποία είναι διαφορετική από 50Hz. (Λόγω του χαρακτηριστικού της ηλεκτρογεννήτριας να διατηρεί σταθερή την τάση της η εταιρεία έχει δώσει ένα ιδιαίτερο όνομα στις γεννήτριες και τις ονομάζει ring generators). Η ταχύτητα περιστροφής του ανεμοκινητήρα εξαρτάται από την ταχύτητα του αέρα. Συνεπώς για να υπάρχει σύνδεση με το δίκτυο είναι απαραίτητη η ύπαρξη διπλής γέφυρας με ηλεκτρονικά ισχύος, ο λεγόμενος ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος. Ο - 5 -
τελευταίος αναλαμβάνει το ρόλο του συγχρονισμού της σύγχρονης μηχανής με το ισχυρό δίκτυο αφού φροντίζει να οδηγεί στην έξοδο την τάση που παράγει η σύγχρονη γεννήτρια και να μετατρέπει τη συχνότητά της σε 50Hz που είναι η ονομαστική τιμή. Όσον αφορά την τάση που παράγει η σύγχρονη γεννήτρια το ύψος εξαρτάται εκτός της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα και από τη διέγερσή του, δηλαδή από το μαγνητικό πεδίο. Η διέγερση φροντίζει ώστε η τάση που παράγεται από τη σύγχρονη γεννήτρια να είναι σταθερή. Η ανεμογεννήτρια της εν λόγω εταιρείας συνδέεται με το δίκτυο μέσω δύο ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Ο λόγος ύπαρξης των δύο ηλεκτρονικών μετατροπέων είναι επειδή υπάρχουν 6 φάσεις στη σύγχρονη γεννήτρια. Ο τρόπος σύνδεσης των τυλιγμάτων της σύγχρονης γεννήτριας με τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος και κατόπιν με το δίκτυο είναι αυτός που φαίνεται στο σχήμα 1.5. Βλέπουμε από το εν λόγω σχήμα ότι τα τυλίγματα της μηχανής είναι συνδεδεμένα σε αστέρα ανά τρία. Σχήμα 1.5: Σύνδεση της Σ.Μ. μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος με το δίκτυο διανομής. Στη συνέχεια τα τυλίγματα συνδέονται με τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος και καταλήγουν στο μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης. Όσον αφορά την λειτουργία των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος θα γίνει μια σύντομη περιγραφή του ενός και τα ίδια ισχύουν και για τον άλλο. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος αυτός είναι Ε.Ρ.-Σ.Ρ.-Ε.Ρ. (AC-DC- AC) ο οποίος όπως φαίνεται και από το σχήμα 1.6 αποτελείται από δύο μέρη, το μετατροπέα Ε.Ρ.-Σ.Ρ. που είναι στη μεριά της μηχανής, και το μετατροπέα που είναι στη μεριά του δικτύου Σ.Ρ.-Ε.Ρ. Ο μετατροπέας στη μεριά της μηχανής είναι ανορθωτής δηλαδή Ε.Ρ.-Σ.Ρ. ο οποίος μετατρέπει την εκάστοτε εναλλασσόμενη τάση που βγάζει η μηχανή σε συνεχή. Η ανόρθωση γίνεται με διόδους ισχύος όπως φαίνεται στο εν λόγω σχήμα, συνεπώς δεν υπάρχει η δυνατότητα αντιστροφής της φοράς του ρεύματος. Παρόλ` αυτά αν αυτό χρειαζόταν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί γέφυρα με IGBT ή με αντιπαράλληλες διόδους ισχύος. Στην πλευρά του μετατροπέα στην οποία επικρατεί συνεχής τάση υπάρχουν και κατάλληλοι πυκνωτές οι οποίοι εξομαλύνουν και διατηρούν σταθερή την τάση. Εν συνεχεία ο μετατροπέας που είναι στην πλευρά του δικτύου είναι γέφυρα με IGBT η οποία είναι ο αντιστροφέας δηλαδή μετατρέπει με κατάλληλο κύκλωμα παλμοδότησης τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη με χαρακτηριστικά 400V-50Hz. Όσον αφορά την εκκίνηση της σύγχρονής μηχανής αυτή γίνεται με τη βοήθεια του ανέμου ο οποίος έχει το ρόλο της κινητήριας δύναμης. Εφόσον η ταχύτητα του ανέμου είναι κατάλληλη δηλαδή ίση με την ταχύτητα σύζευξης τότε ο ανεμοκινητήρας αρχίζει και περιστρέφεται. Εν συνεχεία με ξεχωριστό κύκλωμα διέγερσης το οποίο όπως φαίνεται στο - 6 -
σχήμα 1.6 αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος Ε.Ρ.-Σ.Ρ. ο οποίος ανορθώνει την τάση του δικτύου και τη μετατρέπει σε συνεχή η οποία τελικά θα αποτελέσει τη διέγερση του δρομέα. Καθώς η ταχύτητα του ανέμου μεταβάλλεται ο εν λόγω μετατροπέας παρακολουθεί τις αλλαγές στην ταχύτητα του Α/Κ και ρυθμίζει ανάλογα τη διέγερση ώστε η τάση να είναι αυτή που πρέπει. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος δεν παίζει μόνο το ρόλο που είδαμε, αλλά ρυθμίζει και την άεργο ισχύ της γεννήτριας. Σε περίπτωση που στη μεριά του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος που είναι στο δίκτυο παρατηρηθεί μείωση της τάσης τότε θα μειωθεί και η τάση στην περιοχή του μετατροπέα που επικρατεί συνεχής τάση και κατόπιν η τάση της γεννήτριας, οπότε ο μετατροπέας μέσω πολυάριθμων μικροελεγκτών δίνει εντολή στο κύκλωμα διέγερσης να αυξηθεί το ρεύμα διέγερσης στο δρομέα της σύγχρονης μηχανής οπότε αντίστοιχα θα ανεβεί η τάση της γεννήτριας και η συχνότητα και η γεννήτρια θα τροφοδοτήσει τελικά το δίκτυο με άεργο ισχύ. Έτσι ο μετατροπέας με τον τρόπο αυτό καθορίζει και τον τρόπο λειτουργίας της σύγχρονης γεννήτριας (χωρητικά ή επαγωγικά). Σχήμα 1.6: Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος Α/Γ [1]. Ο μετατροπέας εκτός από το να πραγματοποιεί όσα αναφέρθηκαν παραπάνω πρέπει να φροντίζει ώστε οι στροφές του ανεμοκινητήρα να είναι κατάλληλες ώστε να πετυχαίνεται λειτουργία του (ανεμοκινητήρα) στο μέγιστο Cp για κάθε ταχύτητα ανέμου. Συνεπώς απαιτείται να υπάρχουν τέτοιες στροφές του δρομέα ώστε να υπάρχει το λ opt και το Cp opt. Αυτό είναι ευθύνη του αντιστροφέα αφού ρυθμίζει την ενεργό ισχύ που στέλνεται στο δίκτυο συνεπώς με βάση τον τύπο: dω dt = 1 ( M WIND M ELEC ) J (1) επηρεάζεται ο αριθμός περιστροφής του δρομέα. Ο αναγνώστης πρέπει να λάβει υπόψη του ότι η βέλτιστη ταχύτητα Ω OPT περιστροφής του δρομέα είναι συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου, της ακτίνας του πτερυγίου, της γωνίας pitch και πολλών άλλων παραμέτρων. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος προκειμένου να πετύχει όλα τα παραπάνω πρέπει να επικοινωνεί με πολλαπλούς μικροελεγκτές και φυσικά με τον κεντρικό επεξεργαστή της ανεμογεννήτριας ώστε να πετυχαίνει την αποδοτικότερη, συμφέρουσα και ασφαλέστερη λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Χρειάζεται να επισημανθεί ότι η απρόσκοπτη και εύρυθμη λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας και ενός αιολικού πάρκου γενικότερα βασίζεται κυρίως στο θέμα του αεροδυναμικού ελέγχου, ελέγχου ηλεκτρικής ισχύος και εσωτερικού ελέγχου κάθε Α/Γ. Στη συνέχεια ο αναγνώστης θα διαπιστώσει την πολυπλοκότητα των συστημάτων. Άλλωστε ο ηλεκτρονικός - 7 -
μετατροπέας ισχύος δεν είναι ανεξάρτητος από τα υπόλοιπα μέρη της ανεμογεννήτριας και βρίσκεται σε διαρκή ανταλλαγή δεδομένων διάφορους μικροελεγκτές. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας επικοινωνεί και με τον έλεγχο pitch ο οποίος όπως τονίστηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο βοηθά στην εκκίνηση του ανεμοκινητήρα και ρυθμίζει την αεροδυναμική ισχύ όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική ταχύτητα του δρομέα. Ο έλεγχος pitch επικοινωνεί με τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος μέσω της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας της ανεμογεννήτριας. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι η καρδιά όλων των υποσυστημάτων είναι ο κεντρικός ελεγκτής της ανεμογεννήτριας όπου αν κάτι δεν πάει καλά γίνεται αυτοδιάγνωση και προσπάθεια για διόρθωση του σφάλματος, ειδάλλως υπάρχει κατάσταση εκτάκτου ανάγκης, δίνει εντολή να σταματήσει πλήρως η περιστροφή του ανεμοκινητήρα και του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Συνεπώς ο αναγνώστης αντιλαμβάνεται ότι η λειτουργία τόσο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος όσο και η γενικότερη λειτουργία της ανεμογεννήτριας είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη διαδικασία που γνωρίζει μόνο η κατασκευάστρια εταιρεία και μόνο αυτή. 6. ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Στην παρούσα ενότητα θα γίνει περιγραφή του τρόπου της κατευθείαν διασύνδεσης ανεμογεννητριών με το δίκτυο. Η περιγραφή βασίζεται στον τρόπο διασύνδεσης των ανεμογεννητριών γνωστής δανέζικης εταιρείας Οι ανεμογεννήτριες αυτής της εταιρείας χρησιμοποιούν ασύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα. Σύμφωνα με το ενημερωτικό φυλλάδιο [3] του κατασκευαστή ένας χονδρικός τρόπος σύνδεσης φαίνεται στο σχήμα 1.7. Σύμφωνα με αυτό βλέπουμε ότι η ασύγχρονη μηχανή είναι διπλά τροφοδοτούμενη (double-fed). Προς πληροφόρηση αναφέρεται ότι η γεννήτρια είναι έχει ονομαστικά στοιχεία Un=690V, In=711A, n=1620 σ.α.λ. Από το εν λόγω σχήμα βλέπουμε ότι ο στάτης είναι κατευθείαν συνδεδεμένος με το δίκτυο ενώ ο δρομέας είναι συνδεδεμένος με ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Ο τελευταίος αποτελείται από μια διπλή γέφυρα από στοιχεία IGBT. Ο τρόπος λειτουργίας θα εξηγηθεί στη συνέχεια. Το σύστημα αυτό άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως πρόσφατα στα αιολικά συστήματα (μεταβλητών στροφών). Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος διαπερνάται από Σχήμα 1.7: Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος Α/Γ [1]. - 8 -
ένα ποσοστό της ισχύος της τάξης του 20-30% της συνολικής ισχύος και συνεπώς εμφανίζονται λιγότερες απώλειες σε σχέση με ένα σύστημα απευθείας οδηγούμενο από τον ανεμοκινητήρα [4]. Επίσης το κόστος του ηλεκτρονικού μετατροπέα είναι μικρότερο σε σχέση με αυτό του μετατροπέα που χρησιμοποιείται σε αιολικά πάρκα όπως αυτό του προηγούμενου κεφαλαίου και λόγω του παραπάνω ισχυρισμού αλλά και επειδή δεν χρειάζεται εξωτερικό κύκλωμα διέγερσης αφού αυτή προέρχεται απευθείας από το «δίκτυο». Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η ηλεκτρική γεννήτρια είναι δακτυλιοφόρου δρομέα η οποία είναι διπλά τροφοδοτούμενη και φαίνεται στο σχήμα 1.7. Ως γνωστόν μία μέθοδος μετατόπισης των καμπυλών ροπής-στροφών είναι μέσω διάφορων αντιστάσεων. Ο τρόπος αυτός εκτός του ότι εμφανίζει πολλές απώλειες (ωμικές) δεν έχει και τη δυνατότητα ενεργητικού ελέγχου δηλαδή δεν μπορεί ανά πάσα στιγμή η τιμή της αντίστασης να αλλάζει τόσο λόγω συνδεσμολογίας της όσο και λόγω έλλειψης επικοινωνίας με το υπόλοιπο κύκλωμα. Αντίθετα με τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος Ε.Ρ.-Σ.P.-Ε.Ρ. ο οποίος ουσιαστικά παίζει τον ρόλο των αντιστάσεων, δεν υπάρχουν ωμικές απώλειες και υπάρχει ανά πάσα στιγμή δυνατότητα ρύθμισης σε μεγάλο εύρος της ροπής εκκίνησης της γεννήτριας μετατοπίζοντας την καμπύλη ροπήςστροφών δεξιά ή αριστερά ανάλογα με την ταχύτητα του αέρα. Με αυτό τον τρόπο εκτός του ότι υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης ακόμα και των πιο χαμηλών ταχυτήτων αέρα (εφόσον είναι πάνω από την ταχύτητα σύζευξης), και ταυτόχρονα προστατεύεται η ηλεκτρική γεννήτρια από την εμφάνιση υψηλών ρευμάτων κατά την εκκίνηση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος έχει τη δυνατότητα ανά πάσα στιγμή να επικοινωνεί με την Κεντρική Μονάδα Ελέγχου της ανεμογεννήτριας και ρυθμίζει τη συμπεριφορά του σύμφωνα με τις εντολές που λαμβάνει από αυτή (ΚΜΕ). Έτσι ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος αλλάζοντας ουσιαστικά την αντίσταση του δρομέα αλλάζει το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της μηχανής και πετυχαίνει τη μετακίνηση της καμπύλης Cp-λ στην επιθυμητή τιμή λ opt όπου υπάρχει μέγιστο Cp. Με αυτό τον τρόπο η ανεμογεννήτρια παρακολουθεί τις αλλαγές του ανέμου και προσαρμόζει τη λειτουργία της. Χάρη στον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος υπάρχει μεγάλο εύρος ρύθμισης της τάσης και συνεπώς της αέργου ισχύος. Συνοψίζοντας, μπορεί να αναφερθεί ότι οι λόγοι που δικαιολογούν την ευρεία εφαρμογή των ασύγχρονων διπλά τροφοδοτούμενων ηλεκτρικών γεννητριών είναι ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούν εμφανίζουν λιγότερες απώλειες αφού έχουν να διαχειριστούν μικρό μέρος της συνολικής ισχύος 20-30% και το κόστος τους είναι μικρότερο σε σχέση με τον μετατροπέα που χρησιμοποιείται σε απευθείας οδηγούμενες από τον ανεμοκινητήρα σύγχρονες μηχανές. Βέβαια με το μετατροπέα που περιγράψαμε στην προηγούμενη ενότητα έχουμε πιο αξιόπιστη λειτουργία της ανεμογεννήτριας αφού αυτός αναλαμβάνει εξ ολοκλήρου τη σύνδεση με το δίκτυο άρα μπορεί να υπάρχει άμεσος έλεγχος ενώ εδώ έχουμε κατευθείαν σύνδεση μεταξύ γεννήτριας και δικτύου. 7. ΣΥΝΟΨΗ Στην παρούσα εργασία αναφέρθηκαν τα πλεονεκτήματα που εμφανίζει η αιολική ενέργεια και παρουσιάστηκαν οι λόγοι για τους οποίους υπάρχει έντονο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον. Εν συνεχεία περιγράφηκε ο τρόπος διασύνδεσης ανεμογεννητριών αιολικών πάρκων με τη χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος γεγονός που δείχνει τη σπουδαιότητα της εξέλιξης της τεχνολογίας αυτής. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο βρίσκεται επειδή είναι τεχνολογία των τελευταίων χρόνων βρίσκεται ακόμη υπό έρευνα. Αναζητούνται τρόποι για κατασκευή γεννητριών οι οποίες θα διεγείρονται από μόνιμους μαγνήτες και για εξέλιξη των ήδη υπαρχόντων. Εκτός αυτού, γίνεται εκτεταμένη έρευνα για βελτίωση των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Το σημαντικότερο θέμα όμως για τα αιολικά συστήματα συμπεριλαμβανομένου του τελευταίου είναι η αντικεραυνική προστασία των ανεμογεννητριών από πλήγματα κεραυνών σε οποιοδήποτε σημείο των ανεμογεννητριών. Το θέμα αυτό είναι βαρύνουσας σημασίας αφού συνήθως τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται σε περιοχές που είναι ευάλωτες σε κεραυνικά πλήγματα και βρίσκεται - 9 -
σχεδόν σε αρχικό στάδιο έρευνας, οπότε χρειάζεται περαιτέρω μελέτη για την εξεύρεση ολοκληρώμενων και αποδοτικών λύσεων αντικεραυνικής θωράκισης. 8. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Σ. Α. Παστρωμάς, Διπλωματική Εργασία: «Μελέτη συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική- Κατευθείαν σύνδεση ανεμογεννητριών με το δίκτυο και σύνδεση μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος», Πάτρα, Οκτώβριος 2005. [2] Γ. Μπεργελές: «Ανεμοκινητήρες», Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα, 1990. [3] Τεχνικό Φυλλάδιο Εταιρείας Vestas, Digitally controlled WT in megawatt size with DFIG without position sensor. [4] A. Petersson: Analysis, Modeling and Control of DFIG for WT, Chalmers Department of Technology, Goteborg, Sweden 2005. [5] EWEA, www.ewea.org. - 10 -