1

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Διπλωματική εργασία

του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών :

ΜΑΡΟΥΔΑ ΔΙΟΝΥΣΗ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ

Αριθμός Μητρώου : 4799

Τίτλος :

ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ

ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ ΑΜΔΤ (ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ

ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ )

Επιβλέπων :

Καθηγητής Αντώνης Θ.Αλεξανδρίδης

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας :

Πάτρα ,

2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με τίτλο :

ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ

ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ ΑΜΔΤ (ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ

ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ )

του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας

Υπολογιστών

ΜΑΡΟΥΔΑ ΔΙΟΝΥΣΗ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ

Α.Μ. : 4799

Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών

και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 2008

Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα

Αντώνης Αλεξανδρίδης Αντώνης Αλεξανδρίδης

Καθηγητής Καθηγητής

3

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας :

Τίτλος :

ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ

ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ ΑΜΔΤ (ΑΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΠΛΗΣ

ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ)

Φοιτητής : ΜΑΡΟΥΔΑΣ ΔΙΟΝΥΣΗΣ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ

Επιβλέπων : Καθηγητής Αντώνης Θ.Αλεξανδρίδης

Περίληψη :

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται διάφοροι τύποι αιολικών συστημάτων . Οι δυο

βασικές κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται οι ανεμογεννήτριες και συνεπώς τα αιολικά

συστήματα , είναι οι σταθερής ταχύτητας (fixed speed) και οι μεταβλητής ταχύτητας (variable

speed) . Σε καθέναν από τους τύπους αυτούς είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν επαγωγικές ή

σύγχρονες γεννήτριες .

Αφού αναφερθούν τα βασικά χαρακτηριστικά της επαγωγικής (κλωβού ή δακτυλιοφόρου

δρομέα) και της σύγχρονης γεννήτριας , παρουσιάζεται η λειτουργία του κάθε τύπου γεννήτριας

σε αιολικό σύστημα ρυθμισμένης ταχύτητας ανεμογεννήτριας ή σε αιολικό σύστημα μεταβλητής

ταχύτητας ανεμογεννήτριας . Αναφέρονται πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα για κάθε

περίπτωση . Ειδικά για μεταβλητής ταχύτητας αιολικά συστήματα , που παρουσιάζουν και το

μεγαλύτερο ενδιαφέρον , παρουσιάζονται 3 περιπτώσεις : Α.Μ. με κλωβό και σύνδεση

ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη , Α.Μ. με δακτυλιοφόρο δρομέα και σύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο δρομέα , Σ.Μ.

με σύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη . Από αυτές θα εστιάσουμε στην περίπτωση του

δακτυλιοφόρου δρομέα (διπλής τροφοδότησης) .

Γίνεται αναλυτική παρουσίαση της δομής και της λειτουργίας του ηλεκτρονικού μετατροπέα

που χρησιμοποιείται σε μια επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδότησης . Η διάταξη αυτή είναι η

4

«πλάτη με πλάτη» σύνδεση δύο Μετατροπέων Πηγής Τάσης (VSC) και η χρήση της έχει αρκετά

πλεονεκτήματα από τη χρήση μετατροπέων με θυρίστορς .

Σε αιολικό σύστημα με τέτοιου τύπου γεννήτρια θα γίνει έλεγχος ισχύος . Για να γίνει αυτό ,

αρχικά παράγεται ένα πρότυπο της επαγωγικής μηχανής διπλής τροφοδοσίας (DFIG) σε

σύστημα δύο αξόνων (d-q) .Στη συνέχεια περιγράφεται η διαδικασία σύνδεσης του συστήματος

με το δίκτυο . Ακολουθεί ο έλεγχος της ενεργού και της αέργου ισχύος . Για να πετύχουμε τον

έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος του στάτη η οποία ανταλλάσσεται ανάμεσα στη DFIG

και το δίκτυο , παρουσιάζεται μια μέθοδος διανυσματικού ελέγχου . Μελετώνται προσομοιώσεις

για δυο τύπους ελεγκτών : τον κλασικό PI ελεγκτή και τον πολυωνυμικό RST . Οι αποκρίσεις

των δύο αυτών τύπων ελεγκτών συγκρίνονται σε διάφορες περιπτώσεις . Προκύπτει πως ο RST

ελεγκτής είναι πιο αποδοτικός στις περιπτώσεις όπου η ταχύτητα μεταβάλλεται απότομα , ενώ

είναι πιο ισχυρός έναντι μεταβολών των παραμέτρων της DFIG . Τέλος , εξετάζεται η

μεταβατική απόκριση του συστήματος στην περίπτωση του PI ελεγκτή , για διαφορετικές τιμές

των παραμέτρων του PI ελεγκτή . Διαπιστώνουμε ότι μεγαλύτερες τιμές των παραμέτρων του

ελεγκτή δίνουν και καλύτερες αποκρίσεις .

5

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι άνεμοι παράγονται κυρίως από την άνιση θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο.

Οι θάλασσες παρουσιάζουν μεγάλη θερμοχωρητικότητα αφού εκτός από την εξάτμιση, η

θερμότητα μεταφέρεται προς το εσωτερικό των υδάτινων μαζών. Έτσι κατά τη διάρκεια της

ημέρας ο αέρας πάνω από λίμνες και θάλασσες παραμένει σχετικά κρύος, σε σχέση με τον αέρα

τις στεριάς που θερμαίνεται περισσότερο. Έτσι έχουμε και μια μείωση της πυκνότητάς του, με

αποτέλεσμα την ανύψωσή του και τα κρύα βαρύτερα στρώματα του αέρα που βρίσκονται κοντά

στην επιφάνεια της θάλασσας κινούνται για να πάρουν τη θέση του πάνω από την ξηρά.

Με τον τρόπο αυτόν παράγονται τα τοπικά παραλιακά ρεύματα που κατά τη διάρκεια της

νύχτας τα ρεύματα αυτά αντιστρέφονται επειδή η θερμοκρασία της ξηράς ελαττώνεται πολύ

γρηγορότερα από αυτή του νερού και έτσι ο ψυχρότερος άρα και βαρύτερος αέρας της ξηράς

κινείται προς τη θάλασσα όπου αναπληρώνει αυτόν που ανυψώνεται από την επιφάνειά της.

Παρόμοια τοπικά ρεύματα συμβαίνουν στις βουνοπλαγιές κατά τη διάρκεια της ημέρας όταν

ο θερμός αέρας ανυψώνεται κατά μήκος των θερμών πλαγιών υπό την επίδραση του ήλιου.

Κατά τη διάρκεια της νύχτας, ο σχετικά κρύος αέρας των πλαγιών κινείται προς τις πεδιάδες.

Κατά τον ίδιο τρόπο παράγονται και οι πλανητικοί άνεμοι λόγο της μεγαλύτερης θέρμανσης της

επιφάνειας της γης κοντά στον ισημερινό απ’ότι στους πόλους. Επίσης έχουμε και τους

εποχιακούς ανέμους, όπως οι Μουσσώνες, καθώς και τους ετήσιους ή Μελτέμια.

Οι τελευταίοι έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον, αφού η παρουσία τους είναι πολύ συχνή στην

περιοχή του Αιγαίου. Είναι άνεμοι του καλοκαιριού, βόρειο-βορειοανατολικοί μέχρι και

βορειοδυτικής διεύθυνσης που αρχίζουν να πνέουν από τις αρχές του Μαίου και εξασθενούν στα

μέσα του Οκτωβρίου. Τη μεγαλύτερη ένταση και συχνότητα τη παρουσιάζουν από τα μέσα του

Ιουλίου έως τα μέσα του Σεπτεμβρίου, με μέγιστη ημερήσια διακύμανση τις απογευματινές

ώρες, ενώ η ένταση τους ελαττώνεται τη νύχτα.

Στη γενική τους μορφή οι ανεμοκινητήρες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε

άλλες πιο χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως θερμική, ηλεκτρική και φυσικά μηχανική .Ο άνεμος

όμως, είναι μια ανεξέλεγκτη και χρονικά μεταβαλλόμενη σε όλες της τις παραμέτρους πηγή

ενέργειας. Η δέσμευση και χρησιμοποίηση της ενέργειας αυτής, είναι ως εκ τούτου μια πολύ

6

δαπανηρή διαδικασία. Η σχεδίαση και η κατασκευή μιας αποδοτικής και παράλληλα

οικονομικής ανεμομηχανής δεν είναι εύκολη δουλειά.

Παρόλα αυτά, οι σύγχρονες ανεμομηχανές (που η επιστημονική ονομασία τους είναι

«συστήματα μετατροπής» της αιολικής ενέργειας , ή πιο απλά «ανεμοκινητήρες», ή όταν

παράγουν ηλεκτρική ενέργεια «ανεμογεννήτριες»), χρησιμοποιώντας τα πρόσφατα επιτεύγματα

στην τεχνολογία των υλικών, στη μηχανολογία, στην ηλεκτρονική και στην αεροδυναμική,

έχουν ανεβάσει σε υψηλά επίπεδα την απόδοση τους, μειώνοντας συνεχώς το κόστος της

παραγόμενης ενέργειας.

Η μελέτη ενός συστήματος ανεμογεννήτριας, περιλαμβάνει την αεροδυναμική σχεδίαση και

τη μελέτη εφαρμογής, στην οποία περιλαμβάνονται η μηχανολογική μελέτη και σχεδίαση, η

μελέτη του ηλεκτρολογικού συστήματος και τα ηλεκτρολογικά συστήματα ελέγχου και

ασφαλείας. Η αεροδυναμική σχεδίαση αποτελεί προϋπόθεση για τον σχεδιασμό ενός

συστήματος δέσμευσης και μετατροπής της ενέργειας του ανέμου, ενώ η ηλεκτρομηχανολογική

μελέτη είναι το αμέσως επόμενο και αναγκαίο στάδιο για την υλοποίηση ενός τέτοιου

συστήματος, κατά τον αποδοτικότερο και πλέον συμφέροντα τεχνοοικονομικό τρόπο .

7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΟ ΠΕΡΑΣΜΑ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

Η αξιοποίηση και η τιθάσευση του ανέμου απασχόλησε τον άνθρωπο για χιλιάδες

χρόνια και ήταν ο ρυθμιστής για την ανάπτυξη και την εξέλιξη της ανθρωπότητας καθώς

χρησιμοποιήθηκε τόσο στην ναυτιλία και την άρδευση όσο και στις αγροτικές καλλιέργειες. Η

οικονομική και παραγωγική δραστηριότητα των αρχαίων χρόνων τονίζεται με την αναφορά στον

διαχειριστή των ανέμων τον Αίολο στην Ελληνική μυθολογία ,παρόμοιες αναφορές υπάρχουν σε

κάθε αρχαίο πολιτισμό.

Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε αρχικά από τον άνθρωπο για την κίνηση των

ιστιοφόρων πλοίων ,για εμπορικές συναλλαγές ,συγκοινωνία και εξερευνήσεις. Ιστορικές

αναφορές δείχνουν πως και άλλοι λαοί εκτός των Ελλήνων όπως οι Πέρσες ,οι Αιγύπτιοι και οι

Κινέζοι χρησιμοποιούσαν αιολικές μηχανές.

Οι κατασκευαστικές τεχνικές δείχνουν ότι χρησιμοποιούνταν ανεμόμυλοι με κάθετους

άξονες προκειμένου να αξιοποιούν τις δυνατότητες του αέρα .Ανεμόμυλοι τέτοιας τεχνοτροπίας

υπήρχαν κυρίως στις Αραβικές χώρες. Ενώ την ιδέα της τεχνοτροπίας αυτής την μετέφεραν

αργότερα στην Ευρώπη οι σταυροφόροι .

Στην Ευρώπη όμως, κυριάρχησαν οι ανεμόμυλοι οριζοντίου άξονα, με μια ελαφριά κλίση

των πτερυγίων, στις αρχές του Μεσαίωνα . Η χρήση της αιολικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα,

στη Δυτική Ευρώπη ξεκίνησε από την Αγγλία και την Ολλανδία τον Μεσαίωνα. Ανεμόμυλοι την

εποχή αυτή χρησιμοποιούνταν κυρίως για άντληση νερού και για άλεσμα (σχήμα 1.1).

8

Σχήμα 1.1 . Ανεμόμυλος του Μεσαίωνα

Περισσότεροι από 200.000 ανεμόμυλοι είχαν εγκατασταθεί στη Βόρεια Ευρώπη. Στην Γερμανία

στις αρχές του 20ου αιώνα, χρησιμοποιούνταν ακόμα περίπου 20.000 ανεμόμυλοι.

Από τον 19ο αιώνα και μετά, κυρίως στην Αμερική, διαδόθηκε ένας τύπος ανεμόμυλου

γνωστός ως «western wheel» (σχήμα 1.2) .Οι κατασκευές αυτές είχαν πολλά πτερύγια, περίπου

20, ήταν φτιαγμένες από ατσάλι, και χρησιμοποιούνταν κυρίως για άρδευση. Τον 20ο αιώνα, ως

τα τέλη της δεκαετίας του 1930, είχαν εγκατασταθεί περίπου 8 εκατομμύρια τέτοιες μονάδες.

9

Σχήμα 1.2 . Aνεμόμυλος τύπου «western wheel»

Η πρώτη απόπειρα να χρησιμοποιηθεί αιολική μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής

ενέργειας έγινε στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, με την ανεμογεννήτρια συνεχούς ρεύματος

ισχύος 12 kW η οποία κατασκευάστηκε από τον Brush στις ΗΠΑ.

Εντούτοις για μια μεγάλη περίοδο του εικοστού αιώνα υπήρχε ελάχιστο ενδιαφέρον

για την χρήση της αιολικής ενέργειας. Κάποιες αξιοσημείωτες εξαιρέσεις ήταν η

ανεμογεννήτρια των αμερικανών Smith–Putnam η οποία κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ το 1941

(σχήμα 1.3). Η εντυπωσιακή για την εποχή της μηχανή είχε ατσάλινο ρότορα διαμέτρου 53 m

και ονομαστική ισχύ 1250 kW.

Σχήμα 1.3 . Η ανεμογεννήτρια

Smith - Putnam

10

Επίσης η ανεμογεννήτρια του Gedser στη Δανία το 1957, ονομαστικής ισχύος 200kW,

με ρότορα διαμέτρου 24 m και η ανεμογεννήτρια Hütter W34 το 1958 ,ονομαστικής ισχύος 100

kW, με ρότορα διαμέτρου 34 m .

Η ξαφνική αύξηση τις τιμής του πετρελαίου στην δεκαετία του 70 υποκίνησε μια σειρά

από κυβερνητικά χρηματοδοτούμενα προγράμματα για έρευνα και ανάπτυξη ανεμογεννητριών.

Στις ΗΠΑ αυτό οδήγησε στην κατασκευή μια σειράς πρωτοτύπων ανεμογεννητριών ξεκινώντας

το 1975 με το μοντέλο Mod-0 διαμέτρου 38 m , ισχύος 100 ΚW και καταλήγοντας στο μοντέλο

Mod-5B το 1987, με διάμετρο 97.5 m και ονομαστικής ισχύος 2.5 MW (σχήμα 1.4).

Σχήμα 1.4 . Το μοντέλο Mod-5B

11

Παρόμοιες προσπάθειες έγιναν στην Σουηδία , Γερμανία και Βρετανία. Την εποχή αυτή

υπήρχε μεγάλη αβεβαιότητα ως προς το ποιά κατασκευαστική αρχιτεκτονική θα αποδειχθεί

οικονομικά αποδοτικότερη , έτσι διερευνήθηκαν διάφορες καινοτόμες ιδέες. Στον Καναδά

κατασκευάστηκε η ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα Darrieus με ισχύ 4MW (σχήμα 1.5) .

Σχήμα 1.5 . Ανεμογεννήτρια Darrieus

Ανεξάρτητα με την εξέλιξη στον τομέα των ‘μεγάλων’ ανεμογεννητριών, σε χώρες όπως

οι ΗΠΑ, η Δανία, η Γερμανία έγιναν ιδιαίτερες προσπάθειες να χρησιμοποιηθεί η αιολική

ενέργεια σε μεγάλη κλίμακα.

Στην Καλιφόρνια τη δεκαετία του 1980 εγκαταστάθηκαν ανεμογεννήτριες με συνολική

ισχύ περίπου 1500 MW. Στα πρώτα στάδια εξέλιξης χρησιμοποιούσαν ανεμογεννήτριες της

τάξης των 50 kW. Αργότερα χρησιμοποιήθηκαν ανεμογεννήτριες της τάξης των 100, 150, 250

και 500 kW. Η εξέλιξη αυτή έκανε δυνατή την μαζική παραγωγή των ανεμογεννητριών. Γι’ αυτό

και μπορεί να παρατηρηθεί μια βελτίωση στον τομέα της αξιοπιστίας των συστημάτων αυτών.

Σταδιακά η αύξηση του μεγέθους των ανεμογεννητριών οδήγησε σε μονάδες της τάξης των 500

– 1500 kW με πολλές δυνατότητες.

12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2

2.1 ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ

Η χαμηλότερη περιοχή της ατμόσφαιρας , στην οποία βρίσκονται και οι περισσότερες

κατασκευές , ονομάζεται ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα . Εκεί , η κίνηση του ανέμου

επιβραδύνεται από δυνάμεις τριβής και μεγάλα εμπόδια στην επιφάνεια της γης καθώς και από

φαινόμενα που οφείλονται στο στροβιλισμό . Ο στροβιλισμός , ο οποίος μπορεί να είναι

μηχανικής ή και θερμικής προέλευσης , προκαλεί απότομες μεταβολές στην ταχύτητα του

ανέμου σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων και πλατών , γνωστές ως ριπές .

Από μετρήσεις της ταχύτητας του ανέμου σε διάφορα ύψη από το έδαφος , διαπιστώνουμε ότι

- η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται συναρτήσει του ύψους από το έδαφος

- στην περιοχή υπάρχουν διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου , δηλαδή στροβιλισμός

- ο στροβιλισμός διαδίδεται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων

Προκειμένου να διαχωριστούν οι μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου που οφείλονται στο

στροβιλισμό από τις πιο αργές , που οφείλονται σε μακρομετεωρολογικά φαινόμενα ,

χρησιμοποιείται το μέγεθος της μέσης τιμής της ταχύτητας του ανέμου , V , που δίνεται από την

εξίσωση 2.1 :

t 0+T/2

t 0-T/2

1V = v(t)dtT ∫ Σχέση 2.1

όπου

v(t) : η στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου

Τ : το χρονικό διάστημα στο οποίο γίνεται η ολοκλήρωση ώστε να υπολογιστεί η μέση τιμή

Η ενεργειακή φασματική κατανομή της ταχύτητας του ανέμου έχει δύο περιοχές . Η περιοχή

χαμηλών συχνοτήτων του φάσματος αντιστοιχεί στα μακρομετεωρολογικά φαινόμενα . Σε αυτήν

περιλαμβάνονται οι μεταβολές του ανέμου που οφείλονται σε αλλαγές του καιρού από μέρα σε

μέρα έως εβδομάδα (συνοπτικές μεταβολές) και οι μεταβολές του ανέμου κατά τη διάρκεια της

13

ημέρας που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές ανάμεσα στη στεριά και τη θάλασσα

(ημερήσιες μεταβολές).

Η πλευρά των υψηλών συχνοτήτων αντιστοιχεί στα μικρομετεωρολογικά φαινόμενα και οι

μεταβολές οφείλονται στο στροβιλισμό . Ο στροβιλισμός παίζει σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό

και στην απόδοση των ανεμογεννητριών , καθώς και στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος στο

τροφοδοτούμενο δίκτυο .

2.2 Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΟ ΤΕΧΝΙΚΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΙΜΟ

ΑΙΟΛΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

Ο υπολογισμός του τεχνικά αξιοποιήσιμου αιολικού δυναμικού είναι μια αρκετά πολύπλοκη

διαδικασία ακόμα και αν ληφθεί υπόψη μόνο η διαθεσιμότητα του ανέμου και τα τεχνικά

χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιούμε. Η μέση μηνιαία ή ετήσια ταχύτητα

ανέμου και ο βαθμός απόδοσης των ανεμογεννητριών δεν αρκούν για τον υπολογισμό. Είναι

πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε ακριβώς την μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου κατά την

διάρκεια του έτους.

Πολλές φορές η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου συναρτήσει του χρόνου παριστάνεται

με την βοήθεια της κατανομής Weibull (σχήμα 2.1). Η συνάρτηση Weibull δίνεται από την

εξίσωση 2.2 :

kk-1 V-

Ck Vp(V) = eV C

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠

Σχέση 2.2

όπου

p(V) η συχνότητα εμφάνισης της ταχύτητας του ανέμουV

C παράμετρος κλίμακας ή χαρακτηριστική ταχύτητα του ανέμου

k παράμετρος μορφής

14

Στο συγκεκριμένο σχήμα δεχόμαστε μια μέση ταχύτητα ανέμου 7m/sec ενώ επειδή

χρησιμοποιείται παράμετρος μορφής 2 (μια συνηθισμένη τιμή για την Β.Δ. Ευρώπη), συμπίπτει

με την κατανομή Rayleigh. Για τα νησιά του Αιγαίου η παράμετρος μορφής κυμαίνεται από 1,4

ως 2, ενώ σε ορισμένα νησιά παίρνει μικρότερες τιμές όπως 1,22 (Ηράκλειο). Όσο μικρότερη

είναι η τιμή της παραμέτρου τόσο η κατανομή γίνεται πιο ομοιόμορφη και οι ταχύτητες κοντά

στην μέση είναι συχνότερες. Για να σχηματιστεί η καμπύλη του σχήματος 2.1 απαιτείται

πειραματικός προσδιορισμός της συχνότητας των ταχυτήτων του ανέμου και γνώση της

μορφολογίας της περιοχής έτσι ώστε οι ταχύτητες να αναχθούν από το ύψος των

μετεωρολογικών μετρήσεων στο ύψος του ρότορα της ανεμογεννήτριας. Αυτή η αναγωγή

γίνεται με την βοήθεια της σχέσης 2.3 :

Σχέση 2.3

όπου α παράμετρος που αυξάνεται όσο πιο έντονη γίνεται η μορφολογία και η τραχύτητα του

εδάφους.

Πίνακας 2.1 . Τυπικές τιμές της παραμέτρου α

άμμος 0.10

θερισμένο γρασίδι 0.13

ψηλό γρασίδι 0.19

προάστιο 0.32

Γενικά είναι προτιμότερο για το προσδιορισμό της ταχύτητας του ανέμου να

χρησιμοποιηθούν πίνακες του ευρωπαϊκού αιολικού άτλαντα που εκφράζουν την ταχύτητα του

ανέμου συναρτήσει του ύψους και της τραχύτητας του εδάφους για τις περιοχές που μας

ενδιαφέρουν.

Η ισχύς του ανέμου ορισμένης ταχύτητας είναι:

15

Σχέση 2.4

- p είναι η πυκνότητα του αέρα

- Α είναι η επιφάνεια από όπου διέρχεται ο άνεμος

- u είναι η ταχύτητα του ανέμου

Σχήμα 2.1 . Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας ταχυτήτων ανέμου

Από το σχήμα 2.1 φαίνεται ότι οι υψηλές ταχύτητες του ανέμου σπανίζουν, αλλά η

συνεισφορά τους στην παραγόμενη ενέργεια είναι πολύ μεγάλη (σχέση 2.4). Για τον υπολογισμό

της αιολικής ισχύος δεν λαμβάνουμε υπόψη την μέση ταχύτητα αλλά πολλαπλασιάζουμε κάθε

πιθανότητα μιας ορισμένης ταχύτητας ανέμου (από την Weibull) με την ισχύ που παράγεται σε

αυτή την ταχύτητα. Έτσι σχηματίζεται η θεωρητική κατανομή της αιολικής ισχύος για κάθε

ταχύτητα (σχήμα 2.2 , γκρι καμπύλη). Μια ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να παραλάβει όλη αυτή

την ισχύ γιατί τότε ο αέρας που θα περνούσε πίσω από την έλικα της ανεμογεννήτριας δεν θα

απομακρύνονταν διότι θα είχε μηδενική κινητική ενέργεια στην έξοδο.

16

Έτσι, δεν θα παραλάμβανε καθόλου ενέργεια επειδή ο στάσιμος αέρας στην έξοδο δεν θα

επέτρεπε να εισαχθεί νέος. Στην αντίθετη περίπτωση θα διέρχονταν ο αέρας χωρίς καμία

αντίσταση και δεν θα παράγονταν έργο. Έχει αποδειχτεί ότι μια ιδανική ανεμογεννήτρια θα

πρέπει να μειώσει την αρχική ταχύτητα του αέρα κατά τα 2/3 της. Επιπλέον σύμφωνα με τον

νόμο του Albert Betz (1919): Η μέγιστη μηχανική ισχύς που μπορεί να παραχθεί από αιολική

είναί ίση με 59,3% αυτής.

Όπως αναφέραμε, αν πολλαπλασιαστεί η ισχύς ανέμου για κάθε ταχύτητα (σχέση 2.4) με την

αντίστοιχη πιθανότητα εμφάνισης αυτής της ταχύτητας (σχήμα 2.1) τότε προκύπτει η γκρι

καμπύλη του σχήματος 2.2 . Έτσι κάτω από την γκρι καμπύλη φαίνεται η θεωρητική ισχύς ανά

m2 ροής αέρα (δεχόμενοι μια μέση ταχύτητα 7m/s και παράμετρο μορφής της Weibull 2). Η

περιοχή κάτω από την μπλε καμπύλη αποτελεί το 59,3% της θεωρητικής, ενώ η κόκκινη περιοχή

εκφράζει την πραγματική ηλεκτρική ισχύ που παράγεται από την ανεμογεννήτρια.

Σχήμα 2.2 . Συνάρτηση πυκνότητας ισχύος ανέμου και ανεμογεννήτρια

Συγκρίνοντας την μορφή των σχημάτων 2.1 και 2.2 συμπεραίνουμε ότι το μεγαλύτερο

μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτρια κατά την διάρκεια ενός έτος

17

παραλαμβάνεται σε ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της μέσης (γι’αυτό άλλωστε δεν μπορούμε

να υπολογίσουμε το αιολικό δυναμικό από την μέση ταχύτητα).

Για να γίνει ο προσδιορισμός της κόκκινης περιοχής πρέπει να λάβουμε υπόψη την καμπύλη

ισχύος (power curve) της ανεμογεννήτριας. Η καμπύλη αυτή καθορίζει την απόδοση της

ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου και είναι διαφορετική για κάθε

ανεμογεννήτρια. Μια τυπική καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας 600 kW δανικής κατασκευής

φαίνεται στο σχήμα 2.3 .

Σχήμα 2.3 . Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας

Για τον προσδιορισμό της μέσης ετήσιας ισχύς (σύμφωνα με την μέθοδο Cliff) πρέπει να

πολλαπλασιαστούν οι αντίστοιχες τιμές των σχημάτων 2.1 και 2.3 που ισχύουν για κάθε

ταχύτητα ανέμου και να αθροιστούν τα γινόμενα. Δηλαδή με το πολλαπλασιασμό της

πιθανότητας εμφάνισης μιας ταχύτητας ανέμου (σχήμα 2.1) με την ισχύ που αποδίδει η

ανεμογεννήτρια σε αυτή την ταχύτητα (σχήμα 2.3) προσδιορίζεται η συνεισφορά της κάθε

ταχύτητας του ανέμου στην μέση ετήσια ισχύ της ανεμογεννήτριας. Στην συνέχεια το άθροισμα

αυτών των γινομένων (μέση ετήσια ισχύς) πολλαπλασιάζεται με την διαθεσιμότητα της

18

ανεμογεννήτριας και με τις 8760 ώρες του έτους. Η διαθεσιμότητα των σύγχρονων

ανεμογεννητριών είναι τουλάχιστον 98%.

Επιπλέον πρέπει να λάβουμε υπόψη την μέση θερμοκρασία της περιοχής που εξετάζουμε,

διότι κάθε καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας έχει υπολογιστεί για 15ºC. Μια αύξηση της

θερμοκρασίας θα οδηγούσε σε μείωση της πυκνότητας του αέρα άρα και της ισχύος της

ανεμογεννήτριας διότι τότε μετατοπίζεται η καμπύλη 3 προς τα κάτω σύμφωνα με τη σχέση

ισχύος της ανεμογεννήτριας :

Σχέση 2.5

- Cf: ένας συντελεστής άνωσης (χαρακτηριστικός για κάθε ανεμογεννήτρια)

- p: η πυκνότητα του αέρα

- Α: η επιφάνεια από όπου διέρχεται ο άνεμος

- u: η ταχύτητα του ανέμου

Ο συντελεστής άνωσης ή συντελεστής αεροδυναμικής απόδοσης Cf εκφράζει το ποσοστό της

ενέργειας που έχει ο άνεμος λίγο πριν τον ανεμοκινητήρα , το οποίο μετατρέπεται σε μηχανικό

έργο στο δρομέα . Δίνεται από τη σχέση :

( )2Cf = 4a 1-a Σχέση 2.6

όπου a συντελεστής που ισούται με :

V1- V0V1

a = Σχέση 2.7

V1 , V0 : οι ταχύτητες του ανέμου αρκετά πριν και κοντά στο δρομέα

Παραγώγιση του Cf ως προς a δίνει τη μέγιστη τιμή του η οποία είναι :

19

16 = 59%27

Cpmax = Σχέση 2.8

Αυτό είναι το όριο του Betz που αναφέρθηκε παραπάνω . Ο συντελεστής Cf είναι συνάρτηση

της γεωμετρίας των πτερυγίων και του λόγου ταχύτητας προς την ταχύτητα του αέρα , λ . που

ορίζεται από την εξίσωση :

ωRV

λ = Σχέση 2.9

όπου

ω γωνιακή ταχύτητα των πτερυγίων

R ακτίνα των πτερυγίων

V μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου στο ύψος του άξονα του δρομέα

Το διάγραμμα 3 είναι δεδομένο από τον κατασκευαστή. Από την σχέση 3 ή το σχήμα 2.3

φαίνεται ότι είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε με μεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα του ανέμου

στην περιοχή εγκατάστασης των ανεμογεννητριών. Επιπλέον είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η

μέση ετήσια παραγόμενη ενέργεια μιας ανεμογεννήτριας συναρτήσει της μέσης ταχύτητας του

ανέμου για διάφορες τιμές της παραμέτρου μορφής. Η καμπύλη αυτή εξάγεται με βάση την

μέθοδο Cliff και συνήθως δίνεται μαζί με τα υπόλοιπα τεχνικά χαρακτηριστικά της

ανεμογεννήτριας.

2.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

Για να προσδιοριστεί ο βαθμός απόδοσης μιας ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας

του ανέμου, πρέπει να διαιρεθεί κάθε ισχύς της αντίστοιχης καμπύλης 2.3 με την θεωρητική ισχύ

του ανέμου σε αυτή την ταχύτητα (σχέση 2.4). Έτσι προκύπτει ο βαθμός απόδοσης του

σχήματος 2.4 .

Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος μιας ανεμογεννήτριας που εξαρτάται από την κατανομή

της ταχύτητας του ανέμου κατά την διάρκεια του έτους, τον τόπο εγκατάστασής της και τα

20

τεχνικά χαρακτηριστικά της είναι ο συντελεστής εκμετάλλευσής της. Ο συντελεστής αυτός

εκφράζει το λόγο της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας προς αυτήν που θα παράγονταν αν η

ανεμογεννήτρια λειτουργούσε στην ονομαστική ισχύ της συνεχώς κατά την διάρκεια του έτους.

Ο συντελεστής εκμετάλλευσης εκφράζει πόσο αξιοποιείται η ανεμογεννήτρια στον τόπο

εγκατάστασής της.

Σχήμα 2.4 . Βαθμός απόδοσης ανεμογεννήτριας

Είναι προφανές ότι κάθε ανεμογεννήτρια μπορεί να είναι βελτιστοποιημένη ώστε να αποδίδει

καλύτερα σε ένα εύρος ταχυτήτων. Μεταβάλλοντας μεγέθη όπως το ύψος της ή την γωνία και τη

γεωμετρία των πτερυγίων ή το μέγεθος των πτερυγίων ή το μέγεθος της γεννήτριας

μεταβάλλεται η ενεργειακή συμπεριφορά της. Αλλάζοντας τα δύο τελευταία μεγέθη

μεταβάλλεται η καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας, ενώ το ύψος της επηρεάζει μόνο την

ταχύτητα του ανέμου. Γενικά οι ανεμογεννήτριες πρέπει να έχουν τον μεγαλύτερο βαθμό

απόδοσης στις ταχύτητες ανέμου που παράγεται η περισσότερη ενέργεια ετησίως (δηλ. στο

εύρος των συχνότερων υψηλών ταχυτήτων).

Για δεδομένο μέγεθος έλικα, όσο πιο μεγάλη είναι η γεννήτρια και όσο μεγαλύτερες οι

ταχύτητες του ανέμου (αυτό επιτυγχάνεται αυξάνοντας το ύψος του ρότορα), τόσο πιο πολύ

ενέργεια θα παράγεται, όμως συγχρόνως δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε μικρές και μέσες

21

ταχύτητες. Αντίθετα για την ίδια έλικα, όσο μικρότερη είναι η γεννήτρια τόσο καλύτερα θα

αποδίδει σε αδύναμους ανέμους αλλά δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε μεγάλες ταχύτητες.

Οι μικρές ανεμογεννήτριες παράγουν μικρά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας, όμως δεν απαιτούν

ισχυρό δίκτυο, παράγουν σχετικά πιο σταθερή ισχύ (διότι αποδίδουν καλύτερα σε μικρότερες

ταχύτητες), απαιτούν μικρότερο κόστος θεμελίωσης και είναι αισθητικά πιο αποδεκτές από τους

κατοίκους. Τέλος τα αιολικά πάρκα είναι προφανώς πιο αξιόπιστα όταν έχουν πολλές μικρές

ανεμογεννήτριες.

Με βάση τα παραπάνω φαίνεται ότι μια μεγάλη ανεμογεννήτρια δεν είναι πάντα η καλύτερη

λύση λόγω της οικονομίας κλίμακας, αλλά εξαρτάται από την ταχύτητα των ανέμων και τις

ανάγκες μας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Τέλος πρέπει να αναφερθεί ότι οι ανεμογεννήτριες παραλαμβάνουν περίπου μέσα σε 2-3

μήνες λειτουργίας όλη την ενέργεια που απαιτήθηκε για να κατασκευαστούν, ενώ οι

παραθαλάσσιες ανεμογεννήτριες απαιτούν ακόμα λιγότερο χρόνο.

22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3

3.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Ο ανεμοκινητήρας από την εποχή της εμφάνισης του μέχρι σήμερα έχει περάσει από πολλά

στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο του (οριζοντίου ή κάθετου άξονα) όσο και ως προς τα

υποσυστήματα του (πτερύγια, κιβώτιο ταχυτήτων, πύργος, αυτοματισμοί, γεννήτρια κ.α.).

Εξελίξεις έχουν επίσης σημειωθεί και στον τρόπο δέσμευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή

μεταφοράς της ενέργειας του ανέμου που μετατρέπεται από την ανεμογεννήτρια σε άλλη μορφή

ενέργειας. Μια εικόνα των βασικών μερών που αποτελούν μια διάταξη εκμετάλλευσης της

αιολικής ενέργειας καθώς και της ροής ενέργειας παρουσιάζεται στο σχήμα 3.1.

Η διάταξη αυτή είναι μια γενική περίπτωση όπου η κινητική ενέργεια του ανέμου

μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με τη βοήθεια αεροδυναμικής διάταξης (π.χ. μιας έλικας). Αυτό

το μηχανικό έργο μπορεί να είναι εκμεταλλεύσιμο επί τόπου ή να χρειαστεί να μετατραπεί σε

μια άλλη μορφή ενέργειας και να μεταφερθεί στον τόπο της ζήτησης.

Σχήμα 3.1 . Σχηματική αναπαράσταση εγκατάστασης εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας

Παραδείγματα εκμετάλλευσης της παραγόμενης ενέργειας επί τόπου είναι αυτό της

παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση του νερού που μπορεί να αποθηκευτεί, μεταφερθεί, και

να καεί ως αέριο καύσιμο με μηδαμινή επιβάρυνση του περιβάλλοντος .

23

Στη δεύτερη που είναι και πιο ευρέως διαδεδομένη είναι αυτή της μετατροπής της

μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια λόγω της εύκολης μεταφοράς αλλά και της

δυνατότητας που έχει να μετατρέπεται σε οποιαδήποτε άλλη μορφή θέλουμε.

Βέβαια οι μεγάλες διακυμάνσεις της ενέργειας του ανέμου με το χρόνο πολλές φορές

έχουν χρονική ασυμφωνία με την ζήτηση ενέργειας με αποτέλεσμα την αναγκαιότητα της

αποθήκευσης της ενέργειας για τις χρονικές στιγμές στις οποίες η ισχύς του ανέμου πέφτει κάτω

από ένα όριο.

3.2 ΤΥΠΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Μέχρι σήμερα έχουν επινοηθεί και λειτουργήσει από αρχαιότατων χρόνων περισσότεροι

τύποι ανεμομηχανών από οποιαδήποτε άλλο τύπο εφεύρεσης. Οι ανεμοκινητήρες μπορούν να

ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του

ανέμου σε:

1) Οριζοντίου άξονα (Head on) στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι

παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου.

2) Οριζοντίου άξονα (Cross Wind) στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς

την επιφάνεια της Γης αλλά κάθετος στην κατεύθυνση του ανέμου.

3) Κάθετου άξονα στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στην επιφάνεια της γης

όπως και στην ροή του ανέμου (Savonius, Darrieus, Giromill κ.α) .

Επίσης έχουν επινοηθεί και άλλοι τύποι ανεμομηχανών όπως αυτοί του ηλιακού φωτός, Venturi,

με διάχυτο ή συγκεντρωτή, αεροτομής και Magnus κ.α.

3.3 Η ΔΟΜΗ ΜΙΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

24

Σχ.3.2 . Βασικά δομικά στοιχεία ανεμογεννήτριας

Τα βασικά δομικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που απεικονίζεται στο

σχ.3.2 είναι τα εξής :

1. Κουβούκλιο: Το κουβούκλιο περιέχει όλα τα βασικά στοιχεία της ανεμογεννήτριας,

συμπεριλαμβανομένου του κιβωτίου ταχυτήτων, και της ηλεκτρικής γεννήτριας. Πρόσβαση στο

εσωτερικό της ανεμογεννήτριας επιτρέπεται μέσω του πύργου. Αριστερά από το κουβούκλιο

φαίνονται στο Σχ.3.2 τα κινούμενα μέρη της ανεμογεννήτριας (τα πτερύγια και η κεφαλή).

2. Πτερύγια: Τα πτερύγια ‘συλλαμβάνουν’ τον αέρα και μεταφέρουν την ισχύ του στην κεφαλή

του ρότορα. Σε μια μοντέρνα ανεμογεννήτρια 1000kW κάθε πτερύγιο έχει μήκος 27 m και είναι

σχεδιασμένο περίπου όπως ένα φτερό αεροπλάνου.

25

3. Κεφαλή: H κεφαλή του ρότορα είναι συνδεδεμένη με το διαφορικό χαμηλής ταχύτητας της

ανεμογεννήτριας.

Σχήμα 3.3

Κουβούκλιο

ανεμογεννήτριας

4. Διαφορικό χαμηλών ταχυτήτων: Το διαφορικό χαμηλών ταχυτήτων συνδέει την κεφαλή του

ρότορα με το κιβώτιο ταχυτήτων. Σε ανεμογεννήτρια 1000 kW ο ρότορας περιστρέφεται σχετικά

αργά, περίπου 19 με 30 περιστροφές ανά λεπτό (rpm). Το διαφορικό περιέχει σωλήνες για το

υδραυλικό σύστημα ώστε να μπορεί να λειτουργήσει

το αεροδυναμικό φρένο.

5. Κιβώτιο ταχυτήτων: Το κιβώτιο ταχυτήτων έχει το διαφορικό χαμηλών στροφών από

αριστερά και μεταφέρει την κίνηση στο διαφορικό υψηλών στροφών (από δεξιά) κάνοντάς το να

περιστρέφεται με ταχύτητα 50 φορές μεγαλύτερη από αυτή του διαφορικού χαμηλών στροφών.

6. Διαφορικό υψηλών ταχυτήτων: Το διαφορικό υψηλών ταχυτήτων περιστρέφεται περίπου με

1500 στροφές ανά λεπτό (rpm) και οδηγεί την ηλεκτρική γεννήτρια. Το διαφορικό είναι

εξοπλισμένο με ένα δισκόφρενο σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης. Το μηχανικό φρένο

χρησιμοποιείται σε περίπτωση που το αεροδυναμικό φρένο υποστεί βλάβη ή η ανεμογεννήτρια

επισκευάζεται.

26

7. Ηλεκτρική γεννήτρια: Η ηλεκτρική γεννήτρια είναι μια σύγχρονη ή μια ασύγχρονη

γεννήτρια. Στις τελευταίες ανεμογεννήτριες η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς είναι μεταξύ 600 και

3000 kW.

8. Μηχανισμός περιστροφής: Ο μηχανισμός περιστροφής χρησιμοποιεί ηλεκτρικές μηχανές

(κινητήρας περιστροφής) για να στρέφει το κουβούκλιο απέναντι στον άνεμο. Ο μηχανισμός

περιστροφής ελέγχεται από ηλεκτρονικό ελεγκτή ο οποίος αντιλαμβάνεται τη διεύθυνση του

ανέμου χρησιμοποιώντας τον ανεμοδείκτη.

9. Ηλεκτρονικός ελεγκτής: Περιέχει ένα υπολογιστή που παρακολουθεί διαρκώς την

κατάσταση της ανεμογεννήτριας και ελέγχει τον μηχανισμό περιστροφής. Σε κάθε περίπτωση

επιπλοκής, π.χ. υπερθέρμανση του κιβωτίου ταχυτήτων ή της γεννήτριας, σταματά αυτόματα την

ανεμογεννήτρια και καλεί τον υπολογιστή του ελεγκτή της ανεμογεννήτριας μέσω μιας

τηλεφωνικής σύνδεσης.

10. Ανεμόμετρο & ανεμοδείκτης: Το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτης χρησιμοποιούνται για να

μετρούν την ένταση και τη διεύθυνση του ανέμου. Τα ηλεκτρικά σήματα του ανεμόμετρου

χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτριας για να αρχίσει την

λειτουργία της όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μια ελάχιστη τιμή. Ο υπολογιστής

σταματά τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας αυτόματα αν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί ένα

ανώτατο όριο προκειμένου να προστατεύσει την ανεμογεννήτρια και το περιβάλλον αυτής. Τα

σήματα του ανεμοδείκτη χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτριας

για να στρέφει αυτήν απέναντι στον άνεμο, μέσω του μηχανισμού περιστροφής.

11. Πύργος: Ο πύργος της ανεμογεννήτριας στηρίζει το κουβούκλιο και τα κινούμενα μέρη της.

Γενικά είναι πλεονέκτημα ο πύργος να είναι ψηλός, αφού οι ταχύτητες του ανέμου αυξάνονται

όσο απομακρύνεται από το έδαφος. Μια σύγχρονη ανεμογεννήτρια 1000 kW θα έχει ένα πύργο

μεταξύ 50 και 80 μέτρων (το ύψος ενός κτιρίου 17 έως 27 ορόφων).

12. Μονάδα ψύξης: Η μονάδα ψύξης περιέχει ένα ηλεκτρικό ανεμιστήρα που χρησιμοποιείται

για να ψύχει την ηλεκτρική γεννήτρια. Επιπλέον περιέχει μια μονάδα ψύξης με λάδι η οποία

27

χρησιμοποιείται για να ψύχει το λάδι στο κιβώτιο ταχυτήτων. Μερικές ανεμογεννήτριες έχουν

υδρόψυκτες γεννήτριες.

13. Υδραυλικό σύστημα: Το υδραυλικό σύστημα χρησιμοποιείται για να επαναφέρει τα

αεροδυναμικά φρένα της ανεμογεννήτριας.

Μορφή πτερυγίων

Τα πτερύγια σε μεγάλες ανεμογεννήτριες περιστρέφονται κατά μήκος του άξονά τους.

Το πτερύγιο δέχεται τον άνεμο κατά μήκος του υπό διαφορετικές γωνίες. Η γωνία πρόσπτωσης

αυξάνεται προς τη βάση του πτερυγίου. Οι πολύ μεγάλες γωνίες δεν έχουν το επιθυμητό

αποτέλεσμα. Προκειμένου να υπάρχει ενιαία γωνία πρόσπτωσης κατά μήκος του πτερυγίου, το

πτερύγιο έχει μορφή περιστροφική.

Ο μηχανισμός περιστροφής της ανεμογεννήτριας Ο μηχανισμός περιστροφής της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιείται για να στρέφει το

δρομέα της ανεμογεννήτριας απέναντι στον αέρα. Η ανεμογεννήτρια λέγεται ότι έχει σφάλμα

περιστροφής, αν ο δρομέας δεν είναι κάθετος στη διεύθυνση του ανέμου. Το σφάλμα

περιστροφής συνεπάγεται ότι θα αξιοποιείται από την ανεμογεννήτρια μικρότερο μέρος της

ενέργειας του ανέμου. Αν όμως αυτό ήταν το μόνο που συνέβαινε, τότε ο έλεγχος περιστροφής

θα ήταν ένας εξαιρετικός τρόπος ελέγχου της ισχύος εισόδου στο ρότορα της ανεμογεννήτριας.

Εκείνο το μέρος του ρότορα ,όμως, που βρίσκεται πλησιέστερα στη διεύθυνση από την όποια

φυσάει θα δέχεται μεγαλύτερη δύναμη απ’ ότι το υπόλοιπο μέρος του ρότορα. Απ’ τη μια αυτό

συνεπάγεται ότι ο ρότορας θα έχει την τάση να στρέφεται απέναντι στον αέρα αυτόματα. Απ’

την άλλη, σημαίνει ότι τα πτερύγια θα γέρνουν μπρος και πίσω σε μια ταλαντωτική κίνηση σε

κάθε περιστροφή του ρότορα. Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με σφάλμα περιστροφής

δέχονται μεγαλύτερα φορτία κόπωσης απ’ ότι ανεμογεννήτριες που είναι στραμμένες σε μια

διεύθυνση κάθετη στον αέρα.

28

Κιβώτια ταχυτήτων

Η ενέργεια της περιστροφής του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταφέρεται στην

γεννήτρια μέσω του άξονα χαμηλών ταχυτήτων, του κιβωτίου ταχυτήτων και του άξονα υψηλών

ταχυτήτων . Στην περίπτωση που γινόταν χρήση μιας ηλεκτρικής τριφασικής γεννήτριας,

απευθείας συνδεμένης με το τριφασικό δίκτυο η οποία είχε ένα, δύο, ή τρία ζεύγη πόλων, τότε η

γεννήτρια αυτή θα έπρεπε να περιστρέφεται από 1000 ως 3000 στροφές ανά λεπτό. Αν υποτεθεί

ότι ο ρότορας της ανεμογεννήτριας έχει διάμετρο 43 μέτρα τότε θα έπρεπε να περιστρέφεται με

δυο φορές την ταχύτητα του ήχου. Ένα ακόμη ενδεχόμενο είναι να κατασκευαστεί μια

αργόστροφη γεννήτρια με πολλά ζεύγη πόλων. Αν όμως η γεννήτρια αυτή συνδεόταν απευθείας

με το δίκτυο, θα έπρεπε να έχει 100 ζεύγη πόλων για να φτάνει μια αξιοπρεπή ταχύτητα των 30

στροφών ανά λεπτό. Ένα ακόμα πρόβλημα είναι ότι η μάζα του ρότορα πρέπει να είναι ανάλογη

στο μέγεθος της ροπής το οποίο δέχεται. Έτσι λοιπόν μια απευθείας οδηγούμενη γεννήτρια θα

έπρεπε να είναι σε κάθε περίπτωση βαριά, γεγονός που σημαίνει υψηλό κόστος. Η πρακτική

λύση είναι η χρήση ενός κιβωτίου ταχυτήτων.

Σχήμα 3.4 .

Κιβώτιο ταχυτήτων

ανεμογεννήτριας

κατά την κατασκευή

του

Το κιβώτιο

29

ταχυτήτων σε μια ανεμογεννήτρια δεν «αλλάζει» ταχύτητες. Συνήθως έχει ένα λόγο ταχυτήτων

ανάμεσα στην περιστροφή του δρομέα και της γεννήτριας. Για μια μηχανή 600 ή 750kW, ο

λόγος ταχυτήτων είναι περίπου 1 προς 50.

Πύργοι στήριξης Οι πύργοι των ανεμογεννητριών στηρίζουν το κουβούκλιο και τον ρότορα, μπορεί να

είναι είτε χαλύβδινοι σωληνοειδείς πύργοι είτε δικτυωτοί πύργοι.

Χαλύβδινοι σωληνοειδείς πύργοι: Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν τέτοιου είδους

πύργους, είναι κωνικοί, η διάμετρός τους δηλαδή αυξάνει προς τη βάση, προκειμένου να είναι

ευσταθείς και να μειωθεί το χρησιμοποιούμενο υλικό.

Σχήμα 3.5 Ανεμογεννήτριες με χαλύβδινους σωληνοειδείς πύργους

Δικτυωτοί πύργοι: Οι πύργοι αυτοί κατασκευάζονται με χαλύβδινα δικτυώματα. Το βασικό

πλεονέκτημά τους είναι το μειωμένο κόστος, αφού απαιτεί το μισό υλικό απ’ ότι ο

30

προηγούμενος. Το βασικό μειονέκτημά τους είναι η εμφάνισή τους. Για αισθητικούς λόγους οι

πύργοι αυτοί έχουν εκλείψει.

Σχήμα 3.6 . Ανεμογεννήτρια με δικτυωτό πύργο

Το μέγεθος των ανεμογεννητριών

Η ισχύς εξόδου αυξάνεται όσο αυξάνει η επιφάνεια που καλύπτει ο δρομέας της

ανεμογεννήτριας.

Όταν ένας αγρότης αναφέρεται στην έκταση που καλλιεργεί, θα περιγράψει την έκταση

που καλλιεργεί σε τετραγωνικά μέτρα, σε στρέμματα. Με μια ανεμογεννήτρια είναι περίπου το

ίδιο, μόνο που στην καλλιέργεια η επιφάνεια αναφέρεται σε οριζόντιο επίπεδο ενώ στην Α/Γ σε

κάθετο.

Η επιφάνεια του δίσκου που καλύπτει ο ρότορας, καθώς και η ταχύτητα του ανέμου,

φυσικά, καθορίζει την ενέργεια που παράγει η ανεμογεννήτρια.

Το παρακάτω σχήμα 3.7 δίνει μια εικόνα των συνήθων μεγεθών των ανεμογεννητριών:

Μια τυπική ανεμογεννήτρια 600kW θα έχει διάμετρο ρότορα 44m. Αν διπλασιαστεί η διάμετρος

του ρότορα, τετραπλασιάζεται η επιφάνεια που καλύπτει. Αυτό σημαίνει ότι τετραπλασιάζεται

και η ισχύς εξόδου.

31

Σχήμα 3.7

Η διάμετρος του ρότορα μπορεί να διαφέρει λίγο από τα μεγέθη που δίνονται στο

σχήμα, γιατί αρκετοί κατασκευαστές προσαρμόζουν τις μηχανές τους στις αιολικές συνθήκες

κάθε περιοχής: Μια μεγάλη ανεμογεννήτρια, απαιτεί περισσότερη ισχύ (ισχυρότερους ανέμους)

για να περιστραφεί. Αν λοιπόν εγκατασταθεί μια ανεμογεννήτρια σε μια περιοχή με χαμηλό

αιολικό δυναμικό θα μεγιστοποιηθεί η ετήσια ενεργειακή παραγωγή αν για δεδομένο μέγεθος

του ρότορα χρησιμοποιηθεί μια μικρότερη γεννήτρια (ή αντίστροφα για δεδομένη ισχύ

γεννήτριας χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερος δρομέας). Για μηχανή 600 kW το μέγεθος του ρότορα

μπορεί να κυμαίνεται από 39m ως 48m. Ο λόγος για τον οποίο θα αυξηθεί η παραγωγή

ενέργειας από μια σχετικά μικρότερη μηχανή σε περιοχές με χαμηλό αιολικό δυναμικό είναι ότι

η ανεμογεννήτρια θα δουλεύει για περισσότερες ώρες κατά τη διάρκεια του χρόνου.

32

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

4.1 ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ

Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες στον κόσμο χρησιμοποιούν τριφασικές ασύγχρονες

γεννήτριες με κλωβό. Αυτός ο τύπος γεννήτριας παρόλο που δεν χρησιμοποιείται ευρέως, είναι

πολύ διαδεδομένος εκτός από την βιομηχανία των ανεμογεννητριών, και στα μικρά

υδροηλεκτρικά.

Το περίεργο με αυτού του είδους τη γεννήτρια είναι ότι αρχικά είχε σχεδιαστεί ως

ηλεκτρικός κινητήρας. Για την ακρίβεια το ένα τρίτο της παγκόσμιας ηλεκτρικής κατανάλωσης

χρησιμοποιείται για τη λειτουργία ασύγχρονων κινητήρων μέσα σε εργοστάσια, αντλίες,

ανελκυστήρες, και άλλες εφαρμογές όπου είναι απαραίτητη η μετατροπή της ηλεκτρικής

ενέργειας σε μηχανική.

Ένας λόγος επιλογής του κινητήρα αυτού είναι η αξιοπιστία του και ότι είναι σχετικά

φθηνός. Η γεννήτρια έχει ακόμα κάποια χαρακτηριστικά που είναι χρήσιμα για τις

ανεμογεννήτριες. Έχει αυξημένη δυνατότητα ολίσθησης, και μια ικανότητα υπερφόρτωσης.

Η ασύγχρονη γεννήτρια με κλωβό έχει ένα δρομέα ο οποίος τη διαφοροποιεί από τη

σύγχρονη γεννήτρια. Ο δρομέας αποτελείται από μεταλλικές ράβδους (συνήθως αλουμινίου)

που ενώνονται ηλεκτρικά με αλουμινένιους δακτυλίους. Ένα ισχυρό πλεονέκτημα αυτού του

τύπου δρομέα είναι ότι προσαρμόζεται αυτόματα στα ζεύγη πόλων του στάτη.

Αν ο δρομέας περιστρέφεται ακριβώς στην σύγχρονη ταχύτητα τότε το περιστρεφόμενο

μαγνητικό πεδίο περιστρέφεται με ακριβώς την ίδια ταχύτητα, δεν υπάρχουν φαινόμενα

επαγωγής, και δεν αλληλεπιδρά με το στάτη. Αν η ταχύτητα υπερβεί την σύγχρονη ταχύτητα

τότε ο δρομέας περιστρέφεται γρηγορότερα από το μαγνητικό πεδίο με συνέπεια να παρέχεται

στο δίκτυο ηλεκτρικό ρεύμα.

Η ταχύτητα της ασύγχρονης γεννήτριας μεταβάλλεται με την εφαρμοζόμενη

περιστροφική δύναμη. Στην πράξη, η διαφορά μεταξύ της περιστροφικής ταχύτητας στη μέγιστη

ισχύ και στη χαμηλή είναι πολύ μικρή, της τάξης του 1 %. Η διαφορά αυτή σε ποσοστό της

σύγχρονης ταχύτητας καλείται ολίσθηση της γεννήτριας. Γι’ αυτό μια γεννήτρια με δυο ζεύγη

πόλων θα περιστρέφεται αργά στις 1500 rpm όταν είναι συνδεμένη με δίκτυο συχνότητας 50 Hz.

33

Αν η γεννήτρια παράγει τη μέγιστη ισχύ της θα λειτουργεί στις 1515 rpm. Η παρακάτω σχέση

είναι ο ορισμός της ολίσθησης μιας ασύγχρονης μηχανής. Το μέγεθος s εκφράζει την ποσοστιαία

διαφορά της ταχύτητας του δρομέα από την σύγχρονη ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού

πεδίου.

Σχέση 4.1

Στην κατάσταση ηρεμίας n =0 και επομένως s = 1, ενώ για n = ns η s = 0. Αν ο δρομέας

στραφεί γρηγορότερα από το στρεφόμενο πεδίο ( n > ns ), τότε η ολίσθηση γίνεται αρνητική και

είναι η περίπτωση της λειτουργίας της μηχανής ως γεννήτρια.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι η γεννήτρια θα αυξάνει ή θα μειώνει ελαφρώς τις

στροφές όταν η περιστροφική δύναμη μεταβάλλεται. Αυτό έχει ως συνέπεια μικρότερη

καταπόνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων, και αυτός είναι ένας από τους σοβαρότερους λόγους για τη

χρήση ασύγχρονης γεννήτριας παρά σύγχρονης σε ανεμογεννήτριες που είναι άμεσα συνδεμένες

με το δίκτυο.

Στην ασύγχρονη γεννήτρια, ο στάτης πρέπει πριν λειτουργήσει να μαγνητιστεί από το

δίκτυο. Υπάρχει η δυνατότητα να λειτουργήσει η ασύγχρονη γεννήτρια σε αυτόνομο δίκτυο,

όμως, πρέπει να παρέχονται πυκνωτές που να δίνουν το απαραίτητο ρεύμα μαγνήτισης. Επίσης

είναι απαραίτητο ο δρομέας να έχει έναν εναπομείναν μαγνητισμό όταν εκκινήσει η γεννήτρια.

Σε άλλη περίπτωση θα χρειαστεί μπαταρία και ηλεκτρονικά ισχύος, ή μια μικρή

ντιζελογεννήτρια για να εκκινήσει το σύστημα.

Μια ασύγχρονη μηχανή με δακτυλιοφόρο δρομέα (wound rotor) έχει ένα στάτη παρόμοιο

με την ασύγχρονη μηχανή με κλωβό αλλά ένα δρομέα ο οποίος φέρει αυλακώσεις μέσα στις

οποίες τοποθετείται ένα τύλιγμα όμοιο με το τύλιγμα του στάτη . Το τύλιγμα του δρομέα

συνδέεται ηλεκτρικά με το περιβάλλον (π.χ. αντιστάσεις) διαμέσου “slip rings” (δακτυλίους) και

“brushes” (ψήκτρες) . Έτσι γίνεται δυνατός ο εξωτερικός έλεγχος των ηλεκτρικών

χαρακτηριστικών του ρότορα και με τον τρόπο αυτό επηρεάζεται η τάση του .

Στο δρομέα σχεδόν πάντα οι 3 φάσεις συνδέονται σε αστέρα και τα 3 άκρα τους

συνδέονται με τους τρεις δακτυλίους . Οι δακτύλιοι μέσω των ψηκτρών συνδέονται με ένα

εξωτερικό κύκλωμα , π.χ. με τρεις ωμικές αντιστάσεις συνδεδεμένες σε αστέρα , ή είναι

βραχυκυκλωμένοι .

34

Εντούτοις δε δίνεται ισχύς στους δακτυλίους . Ο μοναδικός τους στόχος είναι να

επιτρέψουν στην αντίσταση να τοποθετηθεί σε σειρά με τα τυλίγματα του δρομέα κατά την

εκκίνηση . Τέτοια διάταξη ομαλής εκκίνησης υπάρχει στις γεννήτριες με ηλεκτρονικά

μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (optislip) . Ο άλλος τύπος γεννήτριας με δακτυλιοφόρο

δρομέα , ο διπλά τροφοδοτούμενος , παρουσιάζεται σε επόμενο κεφάλαιο .

Τοποθετώντας την αντίσταση σε σειρά με τα τυλίγματα του δρομέα όχι μόνο μειώνεται το

ρεύμα εκκίνησης , αλλά αυξάνεται και η ροπή εκκίνησης . Η ολίσθηση του δρομέα αλλάζει

τροποποιώντας τη συνολική αντίσταση του ρότορα μέση ενός μετατροπέα που συνδέεται στον

άξονα του ρότορα . Ο στάτης της γεννήτριας συνδέεται κατευθείαν στο δίκτυο . Αυτή η

αντίσταση αποκόβεται όταν η μηχανή έχει ξεκινήσει , ώστε να μοιάζει ο δρομέας ηλεκτρικά με

το δρομέα σε μηχανή κλωβού .

Το βασικό πλεονέκτημα είναι η ελαχιστοποίηση του φορτίου στις ανεμογεννήτριες κατά

τη διάρκεια των ριπών του ανέμου . Μέσω αυτού του συστήματος η γεννήτρια έχει τη

δυνατότητα να μεταβάλλει την ολίσθησή της (σε ένα μικρό εύρος τιμών) και να οδηγηθεί στη

βέλτιστη ολίσθηση , εξασφαλίζοντας μικρότερες ταλαντώσεις στη ροπή εισόδου και στην ισχύ

εξόδου .

Τα κύρια μειονεκτήματα της γεννήτριας με δακτυλιοφόρο δρομέα είναι ότι είναι πιο

ακριβή και όχι τόσο στιβαρή όσο η γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού , το εύρος στο οποίο

μεταβάλλεται η ταχύτητα περιορίζεται στο 0 – 10% καθώς εξαρτάται από το μέγεθος της

μεταβλητής αντίστασης του στάτη , ο έλεγχος της πραγματικής και αέργου ισχύος που

επιτυγχάνεται δεν είναι αρκετά ικανοποιητικός , ένα ποσοστό ισχύος καταναλώνεται στη

μεταβλητή αντίσταση του δρομέα .

4.2 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ

Η σύγχρονη γεννήτρια είναι πιο πολύπλοκη και ακριβότερη σε σχέση με μια αντίστοιχη

επαγωγική . Εμφανίζει όμως ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι της επαγωγικής : δεν απαιτεί

άεργο ρεύμα μαγνήτισης .

Σε γενικές γραμμές η λειτουργία των σύγχρονων μηχανών έχει ως εξής: Όλες οι

τριφασικές γεννήτριες χρησιμοποιούν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο

35

δημιουργείται από τρεις ηλεκτρομαγνήτες. Καθένας από τους τρεις ηλεκτρομαγνήτες είναι

συνδεμένος με μια φάση του ηλεκτρικού δικτύου.

Καθένας από τους ηλεκτρομαγνήτες μετατρέπεται διαδοχικά από Νότιος σε Βόρειος

πόλος και αντίστροφα. Η μεταβολή αυτή του μαγνητισμού αντικατοπτρίζει ακριβώς τη

μεταβολή της τάσης της κάθε φάσης. Όταν η μια φάση βρίσκεται στο μέγιστο, οι άλλες δυο

διαρρέονται από ρεύμα αντίθετης διεύθυνσης στη μισή τάση. Αφού οι μαγνήτες είναι

τοποθετημένοι ανά 120 μοίρες, το μαγνητικό πεδίο θα κάνει μια πλήρη περιστροφή ανά κύκλο.

Η σύγχρονη μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια αν επιβληθεί στον δρομέα ρεύμα ώστε να

τον εξαναγκάσει στην κυκλική κίνηση, αντί να τον περιστρέφει το ρεύμα του δικτύου. Πρέπει

συνεπώς να υπάρχει ένας ισχυρός μαγνήτης για να παράγεται αρκετό ρεύμα. Όσο περισσότερη

δύναμη εφαρμόζεται στο δρομέα τόσο περισσότερο ρεύμα παράγεται, η γεννήτρια όμως

συνεχίζει να λειτουργεί στην ίδια ταχύτητα η οποία προσδιορίζεται από τη συχνότητα του

δικτύου και τους πόλους της μηχανής.

Υπάρχει επίσης η δυνατότητα να αποσυνδεθεί η γεννήτρια από το δίκτυο, και να

προκύψει ένα ανεξάρτητο τριφασικό δίκτυο. Εάν όμως αποσυνδεθεί η γεννήτρια από το δίκτυο,

θα πρέπει να διατηρηθεί σταθερή περιστροφική ταχύτητα προκειμένου να παραχθεί

εναλλασσόμενο ρεύμα με σταθερή συχνότητα. Επομένως, με τέτοιου είδους γεννήτρια θα πρέπει

συνήθως να χρησιμοποιείται έμμεση σύνδεση με το δίκτυο.

Στην πράξη, σύγχρονες γεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες δεν χρησιμοποιούνται πολύ.

Υπάρχουν αρκετοί λόγοι γι’ αυτό. Ένας είναι ότι οι μόνιμοι μαγνήτες τείνουν να

απομαγνητιστούν όταν λειτουργούν κάτω από ισχυρά μαγνητικά πεδία όπως αυτά της

γεννήτριας. Ένας άλλος είναι ότι ισχυροί μαγνήτες φτιάχνονται από σπάνια μέταλλα π.χ.

Νεοδύνιο, και είναι πολύ ακριβοί.

Συνήθως οι ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούν σύγχρονες γεννήτριες χρησιμοποιούν

στον δρομέα ηλεκτρομαγνήτες που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα το οποίο παρέχεται από το

δίκτυο. Αφού όμως το δίκτυο παρέχει εναλλασσόμενο ρεύμα, πρέπει να προηγηθεί ένα στάδιο

μετατροπής του εναλλασσομένου σε συνεχές ρεύμα.

Η ταχύτητα μιας γεννήτριας που είναι άμεσα συνδεδεμένη με το τριφασικό δίκτυο είναι

σταθερή, προσδιορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, και από τα ζεύγη πόλων του στάτη. Οι

περισσότερες ανεμογεννήτριες με σύγχρονες μηχανές χρησιμοποιούν γεννήτριες με δύο ή τρία

36

ζεύγη πόλων. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται αυτές οι σχετικά υψηλής ταχύτητας

γεννήτριες είναι η οικονομία σε μέγεθος και κόστος.

Η μέγιστη δύναμη την οποία μπορεί να ‘αντέξει’ η γεννήτρια εξαρτάται από το μέγεθος

του δρομέα. Για δεδομένη ισχύ εξόδου υπάρχει η δυνατότητα επιλογής μεταξύ μιας

αργόστροφης, μεγάλης και άρα ακριβής γεννήτριας, ή μιας υψηλόστροφης και άρα φθηνότερης

μικρότερης γεννήτριας.

37

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

ΜΕΘΟΔΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής

ενέργειας σε ηλεκτρική . Η μέθοδος λειτουργίας σταθερής ταχύτητας (fixed speed) και η

μέθοδος λειτουργίας μεταβλητής ταχύτητας (variable speed).

5.1 Σταθερής ταχύτητας ανεμογεννήτριες

Λειτουργία σταθερής ταχύτητας σημαίνει ότι ο δρομέας της ανεμογεννήτριας στρέφεται

με σταθερό αριθμό στροφών ανεξάρτητα της ταχύτητας του ανέμου . Ο τρόπος σύνδεσης της

γεννήτριας με το δίκτυο, είναι ο ίδιος με τον τρόπο σύνδεσης γεννητριών που τροφοδοτούνται

από συμβατικές πηγές ενέργειας. Δηλαδή η σύνδεση γίνεται απευθείας, χρησιμοποιώντας ένα

μετασχηματιστή προσαρμογής του επιπέδου τάσης της γεννήτριας, σε αυτό του συστήματος

μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (σχήμα 5.1) .

Σχήμα 5.1

Αυτός ο τρόπος σύνδεσης, “επιβάλλει” στην ανεμογεννήτρια την γωνιακή ταχύτητα

περιστροφής της . Η γεννήτρια που χρησιμοποιείται μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε

ασύγχρονη. Ειδικότερα δε, όταν χρησιμοποιούνται σύγχρονες μηχανές ως γεννήτριες, ο αριθμός

στροφών παραμένει σταθερός, ενώ όταν χρησιμοποιούνται ασύγχρονες μηχανές το εύρος

μεταβολών των στροφών εξαρτάται από το φορτίο και είναι περιορισμένο.

38

Τα συστήματα σταθερών στροφών – σταθερής συχνότητας είναι συστήματα που

βασίζονται στην υλοποίηση συστημάτων ελέγχου μεθόδου “stall” (απώλεια αεροδυναμικής

στήριξης, εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων), είτε συστημάτων

ελέγχου μεθόδου “pitch” (έλεγχος μεταβολής της κλίσης των πτερυγίων).

Οι συμβατικές ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών διαθέτουν κυρίως γεννήτριες

επαγωγής τύπου βραχυκυκλωμένου κλωβού .Ο λόγος που προτιμάται η ασύγχρονη γεννήτρια

είναι γιατί είναι κατασκευαστικά απλούστερη κάτι που μειώνει το κόστος και αυξάνει την

αξιοπιστία της συγκρινόμενη με τη σύγχρονη γεννήτρια. Επιπλέον η γωνιακή της ταχύτητα

μπορεί να μεταβάλλεται σε ένα εύρος λίγο πάνω από τη σύγχρονη ταχύτητα. Αυτή η δυνατότητα

έχει ως αποτέλεσμα να εξομαλύνονται οι διακυμάνσεις της ισχύος στην έξοδο της γεννήτριας

καθώς και η καταπόνηση του μηχανικού συστήματος μεταφοράς. Το μεγάλο μειονέκτημα που

παρουσιάζει είναι ότι, σε αντίθεση με την σύγχρονη γεννήτρια, απορροφά άεργο ισχύ. Για την

τροφοδοσία της ασύγχρονης γεννήτριας με άεργο ισχύ, συνδέονται στους ακροδέκτες των

τυλιγμάτων της κατάλληλοι πυκνωτές.

Το σύστημα σταθερών στροφών παρουσιάζει το πλεονέκτημα της εξαιρετικής

απλότητας και αξιοπιστίας και των μηδενικών αναγκών συντήρησης, γεγονός που συνέβαλε

στην καθιέρωσή του, σε μια εποχή όπου η αξιοπιστία ήταν το βασικότερο από τα προς επίλυση

προβλήματα των ανεμογεννητριών. Ταυτόχρονα, όμως, το σχήμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια

σειρά από καθοριστικά μειονεκτήματα, τα οποία σχετίζονται αφ’ ενός με την σταθερότητα των

στροφών και αφ’ ετέρου με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της μηχανής επαγωγής. Εάν η

μεταβαλλόμενη αεροδυναμική ροπή περιέχει αρμονικές συνιστώσες, που βρίσκονται κοντά στις

συχνότητες συντονισμού του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της ισχύος, θα εμφανιστούν

έντονες ταλαντώσεις σ’ αυτό αλλά και στην ισχύ εξόδου της γεννήτριας. Συνεπώς έχουμε

αυξημένη μεταβλητότητα ροπών και της ισχύος εξόδου, ταλαντώσεις του μηχανικού

συστήματος και τέλος λειτουργία του δρομέα σε υποβέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος.

5.2 Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας

Στην λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας , η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας

μεταβάλλεται κατά ελεγχόμενο τρόπο, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου . Για την σύνδεση

της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο σταθερής συχνότητας χρησιμοποιείται μετατροπέας

συχνότητας Με τον τρόπο αυτό η ταχύτητα περιστροφής αποδεσμεύεται από τη σταθερή

39

συχνότητα του δικτύου και είναι δυνατή η μεταβολή της. Στο σχήμα 5.2 παρουσιάζεται το

διάγραμμα ενός συστήματος μεταβλητής ταχύτητας.

Σχήμα 5.2 . Σύστημα μεταβλητής ταχύτητας

Όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.2 , στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας

τριφασικός ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά μεγέθη

σε συνεχή. Η σύνδεση στο δίκτυο γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τα

συνεχή ηλεκτρικά μεγέθη σε εναλλασσόμενα, συχνότητας ίδιας με αυτήν του δικτύου. Οι

μετατροπείς αυτοί μπορούν να αποτελούνται είτε από θυρίστορ, είτε από ημιαγωγικά στοιχεία

ελεγχόμενης έναυσης και σβέσης, όπως θυρίστορ με πύλη σβέσης (GTO) ή τρανζίστορ

μονωμένης πύλης (IGBT).

Το βασικό πλεονέκτημα της λειτουργίας μεταβλητής ταχύτητας είναι η βελτιστοποίηση

της ενεργειακής απόδοσης της μηχανής, καθώς αυξάνεται το ποσοστό εκμετάλλευσης της

κινητικής ενέργειας του ανέμου κυρίως κατά τις χαμηλές ταχύτητες ανέμου , σε σχέση με την

λειτουργία σταθερής ταχύτητας . Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα ελέγχου της

άεργου ισχύος ανάλογα με τον τύπο μετατροπέα που χρησιμοποιείται. Σημαντικό επίσης

πλεονέκτημα από την λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας είναι η εξομάλυνση της

μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών και απόσβεση των συντονισμών του μηχανικού

συστήματος μετάδοσης της κίνησης , τα οποία σημαίνουν μείωση των μηχανικών

καταπονήσεων και αύξηση της διάρκειας ζωής του συστήματος.

Τα μειονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι καταρχήν η αυξημένη πολυπλοκότητα

λόγω του μετατροπέα συχνότητας και η αντίστοιχη αύξηση του κόστους. Επίσης λόγω του

ηλεκτρονικού μετατροπέα παρουσιάζεται αύξηση των ανώτερων αρμονικών που εισέρχονται

στο δίκτυο, κάτι που κάνει αναγκαία την εγκατάσταση φίλτρων για τον περιορισμό τους.

40

Υπάρχουν διάφορα συστήµατα εκ των οποίων στη συνέχεια θα εξεταστούν τα ακόλουθα τρία:

- Ασύγχρονη µηχανή βραχυκυκλωµένου δροµέα (κλωβο) µε διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στον στάτη.

- Ασύγχρονη µηχανή δακτυλιοφόρου δροµέα µε διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στον δροµέα

- Σύγχρονη µηχανή µε διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στον στάτη.

Στο σχήµα 5.3 εικονίζεται η απλούστερη δυνατή διάταξη ανεµογεννήτριας µεταβλητών

στροφών µε χρήση ασύγχρονης γεννήτριας, η οποία αυτοδιεγείρεται µέσω συστοιχίας

πυκνωτών. Οι χρησιµοποιούµενοι µετατροπείς είναι ένας µη ελεγχόµενος ανορθωτής διόδων

στους ακροδέκτες της µηχανής και µια εξαπαλµική γέφυρα µε θυρίστορ που λειτουργεί ως

αντιστροφέας.

Σχήμα 5.3 . Ανεμογεννήτρια με Α.Μ. με βραχυκυκλωμένο δρομέα (κλωβό) με σύνδεση

ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο στάτη

Ο ανορθωτής διόδων µετατρέπει τη µεταβαλλόµενου πλάτους και µεταβαλλόµενης

συχνότητας , τάση των ακροδεκτών της γεννήτριας σε συνεχή. Η συνεχής τάση από την πλευρά

του αντιστροφέα ρυθµίζεται µέσω της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Η διαφορά µεταξύ των

δύο τάσεων καθορίζει την τιµή του συνεχούς ρεύµατος. Άρα, µεταβάλλοντας κατάλληλα την

γωνία εναύσεως των θυρίστορ, µπορούµε να ρυθµίζουµε την ροή ισχύος από την γεννήτρια στο

δίκτυο, έτσι ώστε να ελέγχεται η γωνιακή ταχύτητα του δροµέα κατά τον επιθυµητό τρόπο. Η

διάταξη του σχήµατος 5.3 χρησιµοποιείται για τον έλεγχο ανεµοκινητήρων ισχύος µέχρι 250

kW .

41

Ο περιορισµός της ισχύος σε αυτά τα συστήµατα, για µεγάλες ταχύτητες του ανέµου,

επιτυγχάνεται µέσω ελέγχου του βήµατος των πτερυγίων. Οι πυκνωτές στους ακροδέκτες της

ασύγχρονης γεννήτριας τροφοδοτούν την άεργο ισχύ που απαιτείται για την διέγερσή της. Κύρια

πλεονεκτήµατα της διάταξης είναι βέβαια το χαµηλό κόστος της ασύγχρονης γεννήτριας και η

απλότητα και αξιοπιστία του ανορθωτή διόδων. Όµως, η επιλογή ανορθωτή διόδων δεν µας

δίνει την δυνατότητα ελέγχου της τάσης στη διασύνδεση συνεχούς ρεύµατος. Η τάση αυτή

αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι στροφές της γεννήτριας. Για τον λόγο αυτό έχουν προταθεί

διάφοροι τρόποι περιορισµού της, µε κατάλληλη διαµόρφωση της παλµοδότησης των

ηµιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Από την πλευρά του δικτύου, απαιτούνται µεγάλα και

δαπανηρά φίλτρα έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρµονικές ρεύµατος που δηµιουργούνται

από τον αντιστροφέα. Εκτός από το πρόβληµα των αρµονικών, ο αντιστροφέας απορροφά και

άεργο ισχύ από το δίκτυο .

Σε ανεµογεννήτριες µεταβλητών στροφών έχει προταθεί και διερευνηθεί σε σηµαντικό

βαθµό η διάταξη ασύγχρονης µηχανής δακτυλιοφόρου δροµέα µε σύστηµα µετατροπέων

συνδεδεµένων στους ακροδέκτες του. Στην απλούστερη περίπτωση, η διάταξη των µετατροπέων

περιλαµβάνει µη ελεγχόµενο ανορθωτή στους ακροδέκτες του δροµέα και γέφυρα που

λειτουργεί ως αντιστροφέας στην έξοδο, όπως δείχνεται στο σχήµα 5.4 , µέσω των οποίων

πραγµατοποιείται η ανάκτηση της ισχύος ολισθήσεως και η επιστροφή της στο δίκτυο.

Σχήμα 5.4 . Ανεμογεννήτρια με Α.Μ. και διάταξη ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ στο δρομέα

42

Στο σχήµα 5.4 , ο αντιστροφέας αποτελείται από θυρίστορ. Η ηλεκτρική ροπή της γεννήτριας

είναι ανάλογη του ρεύµατος του δροµέα και κατά συνέπεια του συνεχούς ρεύµατος. Άρα,

µεταβάλλοντας κατάλληλα την γωνία εναύσεως των θυρίστορ του αντιστροφέα, µπορούµε να

ρυθµίζουµε την ηλεκτρική ροπή, έτσι ώστε να µεταβάλλεται η γωνιακή ταχύτητα του δροµέα

κατά τον επιθυµητό τρόπο. Αυτή η συνδεσµολογία προτιµάται για συστήµατα µεγάλης ισχύος

(της τάξεως των MW). Η ασύγχρονη µηχανή είναι δακτυλιοφόρου δροµέα, η οποία σε σχέση µε

την βραχυκυκλωµένου δροµέα είναι ακριβότερη και έχει µεγαλύτερες απαιτήσεις συντήρησης.

Από την άλλη πλευρά, επειδή οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς είναι στον δροµέα, διαχειρίζονται

µόνο ένα τµήµα της συνολικής ισχύος εξόδου, το οποίο καθορίζεται από το εύρος ολισθήσεων

που θέλουµε να λειτουργεί η µηχανή. Αυτό το γεγονός οδηγεί σε µείωση της ονοµαστικής

ισχύος των µετατροπέων και άρα και του κόστους τους. Αυτό είναι και το βασικό πλεονέκτηµα

αυτής της διάταξης που σε συνδυασµό µε την απλότητα και την αξιοπιστία των µετατροπέων

την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρµογές ανεµογεννητριών. Επιπλέον έχουµε

µικρότερη καταπόνηση του δικτύου από αρµονικές. Παρόλα αυτά το πρόβληµα του µικρού

συντελεστή ισχύος, λόγω του αντιστροφέα από θυρίστορ και η ύπαρξη αρµονικών συνεχίζουν

να υφίστανται.

Επίσης σε αρκετά χαµηλή συχνότητα έχουµε ταλαντώσεις της ηλεκτρικής ροπής λόγω των

παραµορφωµένων ρευµάτων του δροµέα. Το τελευταίο γεγονός πρέπει να ληφθεί σοβαρά

υπόψη στον σχεδιασµό του µηχανικού συστήµατος µεταφοράς της ισχύος, για την αποφυγή

κάποιου πιθανού συντονισµού. Τέλος, είναι δυνατές και άλλες παραλλαγές της διάταξης οι

οποίες µπορεί να περιλαµβάνουν ελεγχόµενο ανορθωτή µε θυρίστορς αντί για τον ανορθωτή

διόδων ή σύστηµα διπλών µετατροπέων PWM. H τελευταία υλοποίηση µάλιστα είναι και η

καλύτερη καθώς απαλείφει και τα προβλήµατα των αρµονικών, διατηρώντας το πλεονέκτηµα

του µειωµένου µεγέθους των µετατροπέων .

Η χρησιµοποίηση σύγχρονης µηχανής για γεννήτρια έχει το πλεονέκτηµα ότι δεν χρειάζεται

τους πυκνωτές οι οποίοι αποτελούν εξωτερική πηγή αέργου ισχύος. Όµως το κόστος της είναι

µεγαλύτερο από το κόστος ασύγχρονης µηχανής.

Μια διαφορετική διαµόρφωση µε χρήση σύγχρονης γεννήτριας είναι αυτή που εικονίζεται

στο σχήµα 5.5 και στην οποία χρησιµοποιείται και ανορθωτής και αντιστροφέας µε θυρίστορς .

43

Σχήμα 5.5 . Ανεμογεννήτρια με Σ.Μ. , ανορθωτή διόδων και αντιστροφέα γέφυρας με θυρίστορς

Αυτή η διάταξη επιτρέπει την αντιστροφή της ροής ισχύος για επιτάχυνση της

ανεµογεννήτριας κατά την εκκίνηση. Το συνεχές ρεύµα ελέγχεται µέσω της γωνίας έναυσης των

ηλεκτρονικών στοιχείων του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο, όπως και στην περίπτωση της

ασύγχρονης µηχανής, ρυθµίζεται η ροή ισχύος από την ανεµογεννήτρια στο δίκτυο, έτσι ώστε

να µεταβάλλεται η γωνιακή ταχύτητα του δροµέα κατά τον επιθυµητό τρόπο. Η συµπεριφορά

αυτού του συστήµατος από την πλευρά του δικτύου είναι εξίσου άσχηµη µε τις προηγούµενες

περιπτώσεις λόγω των αρµονικών που εισάγει ο αντιστροφέας .

5.3 Ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας με DFIG

Το DFIG αποτελείται από μια επαγωγική γεννήτρια με δακτυλιοφόρο δρομέα η οποία

συνδέεται με το δίκτυο και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα .

O όρος “doubly fed” αναφέρεται στο γεγονός ότι η τάση στο στάτη εφαρμόζεται από το

δίκτυο και η τάση στο δρομέα προκαλείται από το μετατροπέα ισχύος . Το σύστημα αυτό

επιτρέπει λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας γύρω από ένα μεγάλο αλλά με συγκεκριμένα όρια

εύρος . Ο μετατροπέας εξισορροπεί τη διαφορά ανάμεσα στη μηχανική και την ηλεκτρική

συχνότητα δίνοντας ένα ρεύμα δρομέα με μεταβλητή συχνότητα . Τόσο στη διάρκεια κανονικής

λειτουργίας όσο και σε σφάλματα η συμπεριφορά της γεννήτριας καθορίζεται από το

μετατροπέα και τους ελεγκτές του .

44

Το σύστημα που φαίνεται στο σχήμα 5.6 αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια με DFIG .

Αυτό σημαίνει πως ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος με το δίκτυο ενώ τα τυλίγματα του

δρομέα είναι συνδεδεμένα διαμέσου δαχτυλιδιών ολίσθησης (slip rings) με έναν μετατροπέα .

Το σύστημα αυτό έχει γίνει πολύ δημοφιλές τελευταία διότι εδώ ο μετατροπέας χειρίζεται μόνο

ένα κλάσμα 20-30% της συνολικής ισχύος . Έτσι οι απώλειες στον ηλεκτρονικό μετατροπέα

μπορούν να μειωθούν σε σχέση με ένα σύστημα του οποίου ο μετατροπέας έχει να χειριστεί τη

συνολική ισχύ . Επίσης , το κόστος του μετατροπέα μειώνεται .

Σχήμα 5.6 . Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με DFIG

Το DFIG έχει αρκετά πλεονεκτήματα . Έχει την ικανότητα να ελέγχει την άεργο ισχύ και να

αποσυνδέει τον έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος με ανεξάρτητο έλεγχο του ρεύματος

δρομέα . Το DFIG δεν είναι απαραίτητο να μαγνητιστεί από το δίκτυο ισχύος , μπορεί να

μαγνητιστεί από το κύκλωμα του δρομέα επίσης . Είναι επίσης δυνατό να παραχθεί άεργος ισχύς

η οποία μπορεί να μοιραστεί στο στάτη από τον “grid side” μετατροπέα . Εντούτοις , ο “grid

side” μετατροπέας κανονικά λειτουργεί σε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος και δεν περιλαμβάνεται

στην άεργο ισχύ που ανταλλάσσεται ανάμεσα στην ανεμογεννήτρια και το δίκτυο . Στην

45

περίπτωση που το δίκτυο είναι ασθενές με διακυμάνσεις στην τάση , η γεννήτρια διπλής

τροφοδότησης μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να παράγει ή να καταναλώνει ένα ποσό αέργου ισχύος

με σκοπό τον έλεγχο της τάσης .

Υπάρχει μια ποικιλία DFIG μεθόδων που χρησιμοποιεί ελεγχόμενες εξωτερικές αντιστάσεις

δρομέα . Μερικά μειονεκτήματα της μεθόδου , είναι πως απελευθερώνεται ενέργεια χωρίς λόγο

στις αντιστάσεις δρομέα και πως δεν είναι δυνατό να ελεγχθεί η άεργος ισχύς .

Για συστήματα μεταβλητής ταχύτητας με περιορισμένο εύρος ταχυτήτων , π.χ. +-30% της

σύγχρονης ταχύτητας , το DFIG μπορεί να είναι μια ενδιαφέρουσα λύση , εξαιτίας των

παραπάνω λόγων .

Στο σχήμα 5.7 φαίνεται η σύνδεση του DFIG και συγκεκριμένα η σύνδεση του κυκλώματος

του στάτη με το δίκτυο και η σύνδεση του κυκλώματος του δρομέα με το μετατροπέα διαμέσου

δαχτυλιδιών ολίσθησης .

Σχήμα 5.7 . Αρχή ενός DFIG

Μια πιο λεπτομερής εικόνα του DFIG συστήματος με έναν “back – to – back” μετατροπέα

παρουσιάζεται στο σχήμα 5.8 . Ο “back – to back” μετατροπέας αποτελείται από δυο

μετατροπείς , έναν μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής (machine side) και έναν μετατροπέα

στην πλευρά του δικτύου (grid side) , οι οποίοι συνδέονται «πλάτη με πλάτη» (back – to back) .

46

Ανάμεσα στους δυο μετατροπείς τοποθετείται ένας d.c. πυκνωτής ως αποθηκευτικός χώρος

ενέργειας , με στόχο να κρατηθούν οι μεταβολές τάσης στη d.c. σύνδεση σε χαμηλά επίπεδα .

Με τον “machine side” μετατροπέα γίνεται δυνατός ο έλεγχος της ροπής ή της ταχύτητας του

DFIG και επίσης ο παράγοντας ισχύος στα άκρα του στάτη . Δηλαδή πετυχαίνουμε έλεγχο της

ενεργού και της άεργου ισχύος . Το κύριο αντικείμενο του “grid side” μετατροπέα είναι να

διατηρεί την τάση της d.c. σύνδεσης σταθερή και να εξασφαλίζει λειτουργία μετατροπέα σε

μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (δηλαδή μηδενική άεργο ισχύ) .

Με βάση τις συνθήκες λειτουργίας , ισχύς ρέει μέσα ή έξω από το δρομέα . Σε μια υπερ –

σύγχρονη κατάσταση , η ισχύς ρέει από το δρομέα διαμέσου του μετατροπέα προς το δίκτυο ,

ενώ σε μια υπο – σύγχρονη κατάσταση έχουμε ροή προς την αντίθετη κατεύθυνση . Και στις δυο

περιπτώσεις ο στάτης τροφοδοτεί με ενέργεια το δίκτυο .

Σχήμα 5.8 . DFIG σύστημα με “back – to – back” μετατροπέα

Η χαρακτηριστική ταχύτητας – ροπής του DFIG συστήματος φαίνεται στο σχήμα 5.9 . Όπως

επίσης φαίνεται στο σχήμα , το DFIG μπορεί να λειτουργήσει τόσο σαν κινητήρας όσο και σα

γεννήτρια με ένα εύρος ταχύτητας δρομέα του +-Δωr(max) γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα ω1.

47

Σχήμα 5.9 . Χαρακτηριστική ταχύτητας – ροπής ενός DFIG .

Το μέγεθος του μετατροπέα δε σχετίζεται με τη συνολική ισχύ της γεννήτριας αλλά με το

επιλεγμένο εύρος ταχυτήτων και συνεπώς με την ισχύ ολίσθησης . Το κόστος του μετατροπέα

αυξάνει όταν το εύρος ταχύτητας γύρω από τη σύγχρονη ταχύτητα γίνεται πλατύτερο . Συνεπώς

, η επιλογή του εύρους ταχύτητας βασίζεται σε οικονομικά κριτήρια και στην αυξημένη

αποτελεσματικότητα . Ένα μειονέκτημα του DFIG είναι η αναπόφευκτη ανάγκη δαχτυλιδιών

ολίσθησης .

5.4 PITCH CONTROL (έλεγχος μεταβολής της κλίσης των πτερυγίων)

Οι ανεμογεννήτριες είναι σχεδιασμένες ώστε να παράγουν ενέργεια όσο το δυνατόν

φτηνότερα . Για αυτό γενικά σχεδιάζονται έτσι ώστε να παράγουν μέγιστη ισχύ σε ταχύτητες

ανέμου της τάξης των 15 m/s . Δεν αποδίδει να σχεδιάζονται ώστε να μεγιστοποιούν την έξοδό

τους σε μεγαλύτερους ανέμους , γιατί τόσο ισχυροί άνεμοι είναι σπάνιοι .

48

Σε περίπτωση ισχυρότερων ανέµων είναι απαραίτητο να ‘σπαταλάται’ µέρος της επιπλέον

ενέργειας του ανέµου προκειµένου να προφυλαχθεί ο εξοπλισµός της ανεµογεννήτριας .

Το Pitch control είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος ελέγχου της αεροδυναμικής ισχύος που

παράγεται από το δρομέα της ανεμογεννήτριας . Επίσης έχει σημαντική επίδραση σε όλα τα

αεροδυναμικά φορτία που παράγονται από το δρομέα .

Σε ανεµογεννήτριες που εφαρµόζεται τέτοιου είδους έλεγχος, δηλαδή στις ανεμογεννήτριες

με ελεγχόμενο βήμα έλικα , ο ηλεκτρονικός ελεγκτής ελέγχει την έξοδό τους αρκετές φορές το

δευτερόλεπτο. Όταν η έξοδος γίνει αρκετά µεγάλη, στέλνει εντολή στο µηχανισµό περιστροφής

του πτερυγίου ο οποίος αµέσως στρέφει τα πτερύγια προς τον αέρα. Γι’ αυτό τα πτερύγια πρέπει

να είναι σε θέση να περιστρέφονται κατά µήκος του άξονά τους.

Κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας τα πτερύγια θα στρέφονται µε µια γωνία µιας

µοίρας τη φορά – ενώ ταυτόχρονα θα στρέφεται και ο δροµέας. Ο σχεδιασµός τέτοιου είδους

ανεµογεννητριών απαιτεί έξυπνη µηχανική ώστε τα πτερύγια να στρέφονται ακριβώς την

απαιτούµενη γωνία. Ο έλεγχος αυτός κάθε φορά που αλλάζει διεύθυνση ο αέρας στρέφει τα

πτερύγια µερικές µοίρες ώστε να διατηρεί τη γωνία πρόσπτωσης ιδανική για να µεγιστοποιεί την

έξοδο.

Μια παράμετρος που επηρεάζει την έξοδο ισχύος είναι η γωνία της μεταβολής της κλίσης

των πτερυγίων (pitch angle) βs . Ο σχεδιασμός των πτερυγίων σχεδόν πάντοτε είναι σπειροειδής

, αλλά τα πτερύγια μπορούν να τοποθετηθούν σε πλήρη pitch γωνία . Τα αποτελέσματα από

αρκετές pitch γωνίες φαίνονται στο σχήμα 5.10 .

Μικρές μεταβολές στην pitch γωνία μπορεί να έχουν δραματικές επιπτώσεις στην έξοδο

ισχύος . Θετική ρύθμιση της pitch γωνίας αυξάνει την pitch γωνία σχεδιασμού και έτσι

ελαττώνει τη γωνία επίπτωσης . Αντίθετα , αρνητική ρύθμιση της pitch γωνίας αυξάνει τη γωνία

επίπτωσης και μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση όπως φαίνεται στο σχήμα 5.10 . Ο δρομέας

μιας ανεμογεννήτριας που έχει σχεδιαστεί για λειτουργία σε δεδομένες συνθήκες ανέμου ,

μπορεί να γίνει κατάλληλος για άλλες συνθήκες με κατάλληλες προσαρμογές στην pitch γωνία

και στην ταχύτητα περιστροφής .

49

Σχήμα 5.10 . Επίδραση της ρύθμισης της γωνίας μεταβολής της κλίσης των πτερυγίων στην

εξαγόμενη ισχύ .

Η ρύθμιση ισχύος μπορεί να επιτευχθεί με δυο τρόπους :

(α) “pitching to feather” ή “passive stall” (παθητική επιβράδυνση) Οι ανεµογεννήτριες στις οποίες εφαρµόζεται αυτός ο έλεγχος έχουν τα πτερύγιά τους

ενσωµατωµένα στην κεφαλή του ρότορα σε σταθερή γωνία. Το γεωµετρικό προφίλ όµως των

πτερυγίων, είναι αεροδυναµικά σχεδιασµένο ώστε να διασφαλίσει ότι τη στιγµή που η ταχύτητα

του ανέµου γίνει αρκετά υψηλή, να δηµιουργεί αναταραχές στην πλευρά του πτερυγίου που δεν

‘βλέπει’ τον αέρα, γεγονός που οδηγεί σε επιβράδυνση των πτερυγίων. Αυτή η επιβράδυνση

προλαµβάνει την άσκηση ανεπιθύµητων δυνάµεων των πτερυγίων στον ρότορα.

50

Στις 90ο θετικής κλίσης το πτερύγιο είναι «φτερό» ( “feathered” ) . Μια αύξηση στην “pitch

angle” , που ορίζεται ως στροφή της κύριας λεπίδας στον άνεμο , έχει σαν αποτέλεσμα τη

δημιουργία κλίσης στο «φτερό» (“feather”) , μείωση της γωνίας πρόσπτωσης , μείωση της

ροπής , άρα μείωση της δύναμης ανύψωσης στα πτερύγια .

(β) “pitching to stall” ή “active stall” (ενεργός επιβράδυνση) . Προκειµένου να επιτύχουν µια αρκετά µεγάλη ροπή (περιστροφική δύναµη) σε χαµηλές

ταχύτητες ανέµου, οι µηχανές συχνά θα προγραµµατίζονται να περιστρέφουν τα πτερύγιά τους

όπως µια ανεµογεννήτρια µε ελεγχόµενο βήµα έλικα σε χαµηλές ταχύτητες. Αν όμως η µηχανή

τείνει να υπερφορτωθεί, η µηχανή µε ελεγχόµενη ενεργητική καθυστέρηση θα στρέψει τα

πτερύγιά της σε αντίστροφη διεύθυνση από ότι µια µηχανή µε ελεγχόµενο βήµα έλικα. Με άλλα

λόγια, θα αυξήσει τη γωνία πρόσπτωσης του ανέµου στα πτερύγια προκειµένου τα πτερύγια να

επιβραδυνθούν, κατ’ αυτόν τον τρόπο σπαταλά την επιπλέον ενέργεια του ανέµου.

Συνεπώς , μια μείωση στο “pitch” , π.χ. γυρίζοντας την κύρια λεπίδα κόντρα στον άνεμο ,

ελαττώνει τη ροπή μέσω της αύξησης της γωνίας πρόσπτωσης προσεγγίζοντας την επιβράδυνση

, όπου ξεκινάει να ελαττώνεται η ανύψωση και το σύρσιμο αυξάνεται .

Παρόλο που το “pitchig to feather” είναι πιο συνηθισμένη μέθοδος , κάποιες ανεμογεννήτριες

χρησιμοποιούν “pitching to stall” . Το “pitching to feather” απαιτεί πολύ περισσότερη δυναμική

δραστηριότητα μεταβολής της κλίσης από το pitching to stall” : ενώ ένα μεγάλο μέρος των

πτερυγίων επιβραδύνεται , πολύ μικρές κινήσεις μεταβολής της κλίσης επαρκούν για να ελεγχθεί

η ροπή . Το “pitching to stall” επιφέρει μια σημαντικά μεγαλύτερη ώθηση φορτίου εξαιτίας του

αυξανόμενου συρσίματος . Από την άλλη , η ώθηση είναι πολύ πιο σταθερή όταν τα πτερύγια

επιβραδύνονται , συνεπώς τα καταχρηστικά φορτία της ώθησης θα είναι μικρότερα .

Ένα επιπλέον πρόβλημα με το “pitching to stall” είναι ότι η κλίση της καμπύλης ανύψωσης

στην αρχή της περιοχής επιβράδυνσης είναι αρνητική , έτσι ο συντελεστής ανύψωσης μειώνεται

με την αύξηση της γωνίας πρόσπτωσης . Αυτό επιδρά στην αρνητική αεροδυναμική απόσβεση ,

που μπορεί να επιδράσει στην αστάθεια των στρεφόμενων πτερυγίων . Αυτό είναι επίσης

πρόβλημα για τις ανεμογεννήτριες που ελέγχεται η επιβράδυνσή τους με ρυθμισμένο “pitch” .

51

Χαμηλότερα από τη ρύθμιση της ταχύτητας του ανέμου , η ανεμογεννήτρια απλά θα

προσπαθεί να παράγει όση περισσότερη ισχύ είναι δυνατό , συνεπώς γενικά δεν υπάρχει ανάγκη

να μεταβάλλεται η γωνία μεταβολής κλίσης . Τα αεροδυναμικά φορτία , χαμηλότερα από τη

ρύθμιση της ταχύτητας του ανέμου , είναι γενικά χαμηλότερα σε σχέση με πριν τη ρύθμιση ,

οπότε πάλι δεν υπάρχει λόγος να χρησιμοποιηθεί το “pitch control” . Εντούτοις , για

ρυθμισμένης ταχύτητας ανεμογεννήτριες , η επιθυμητή γωνία κλίσης για αεροδυναμική

αποδοτικότητα ποικίλλει ελαφρά με την ταχύτητα του ανέμου . Συνεπώς , σε μερικές

ανεμογεννήτριες , η γωνία μεταβολής της κλίσης μεταβάλλεται αργά κάποιες μοίρες κάτω από

τη ρυθμισμένη , σαν απάντηση σε «βαρύ» ανεμόμετρο ή σήμα εξόδου ισχύος .

Πάνω από τη ρυθμισμένη ταχύτητα του ανέμου , το “pitch control” προμηθεύει ένα πολύ

αποτελεσματικό μέσο ρύθμισης της αεροδυναμικής ισχύος και των φορτίων που παράγονται από

το δρομέα , έτσι που δεν υπάρχουν όρια στο σχεδιασμό . Για να πετύχουμε καλή ρύθμιση , το

“pitch control” πρέπει να αποκρίνεται πολύ γρήγορα στις μεταβαλλόμενες συνθήκες . Αυτή η

εφαρμογή υψηλού ενεργού ελέγχου απαιτεί πολύ προσεκτικό σχεδιασμό καθώς έχει ισχυρή

αλληλεπίδραση με τη δυναμική απόκριση της ανεμογεννήτριας .

Μια από τις πιο ισχυρές αλληλεπιδράσεις είναι με τη δυναμική συμπεριφορά του πύργου .

Καθώς μεταβάλλεται η κλίση των πτερυγίων για τη ρύθμιση της αεροδυναμικής ροπής , η

αεροδυναμική ώθηση στο δρομέα μεταβάλλεται σημαντικά , και αυτό τροφοδοτεί παλμό στον

πύργο . Καθώς ο άνεμος αυξάνει , η γωνία μεταβολής της κλίσης αυξάνει για να διατηρήσει

σταθερή τη ροπή , αλλά ο δρομέας τείνει να τη μειώσει . Αυτό επιτρέπει στην απόκλιση του

πύργου που είναι κόντρα στον άνεμο να μειωθεί και καθώς η κορυφή του πύργου μετακινείται

ευνοϊκά στον άνεμο η σχετική ταχύτητα του ανέμου που φαίνεται από το δρομέα αυξάνεται . Η

αεροδυναμική ροπή αυξάνεται περισσότερο , προκαλώντας περισσότερη μεταβολή στην κλίση

των πτερυγίων . Αν το κέρδος του “pitch controller” είναι τόσο υψηλό , αυτή η θετική ανάδραση

μπορεί να προκαλέσει αστάθεια . Έτσι είναι καθοριστικό να λάβουμε υπόψιν τη δυναμική

συμπεριφορά του πύργου κατά το σχεδιασμό ενός “pitch contrοller” .

Οι περισσότερες από τις ανεμογεννήτριες που ελέγχονται με “pitch control” χρησιμοποιούν

“pitch cοntrol” πλήρους ανοίγματος , στο οποίο ο προσανατολισμός του “pitch” είναι προς το

κέντρο . Είναι επίσης δυνατό , αν και όχι συνηθισμένο , να πετύχουμε αεροδυναμικό έλεγχο

κάνοντας “pitching” μόνο στα άκρα των πτερυγίων , ή με χρήση “ailerons” , “flaps” , “airjets” ή

άλλες συσκευές που να τροποποιούν τις αεροδυναμικές ιδιότητες . Αυτές οι μέθοδοι έχουν

52

ως αποτέλεσμα τα περισσότερα από τα πτερύγια να επιβραδύνονται σε υψηλούς ανέμους . Αν

μόνο στα άκρα των πτερυγίων γίνεται “pitch” , μπορεί να είναι δύσκολο να ταιριάξει ένας

κατάλληλος ωθητής στο εξωτερικό τμήμα του πτερυγίου , η επίτευξη της συντήρησης είναι

επίσης δύσκολη .

53

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 6.1 ΕΙΔΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ

Γενικά αιολικό πάρκο ονομάζεται μια ομάδα ανεμογεννητριών εγκατεστημένες στην

ίδια τοποθεσία . Κάθε ανεμογεννήτρια είναι συνδεδεμένη σε ένα εσωτερικό δίκτυο χαμηλής ή

μέσης τάσης , το οποίο συνδέεται με το διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενός

μετασχηματιστή ανύψωσης της τάσης .Υπάρχουν τρία βασικά είδη αιολικών πάρκων τα

χερσαία (onshore),τα πάρκα που βρίσκονται κοντά στην ακτή (nearshore) και τα παράκτια

(offshore).

Χερσαία Αιολικά Πάρκα (onshore) Χερσαία αιολικά πάρκα , ονομάζονται αυτά που κατασκευάζονται στις κορυφογραμμές

περιοχών με μεγάλο σχετικά υψόμετρο τουλάχιστον τρία χιλιόμετρα προς το εσωτερικό από την

πλησιέστερη ακτογραμμή . Αυτό συμβαίνει για την εκμετάλλευση της λεγόμενης τοπογραφικής

επιτάχυνσης , την επιτάχυνση δηλαδή του ανέμου καθώς διασχίζει μια κορυφογραμμή . Η

αύξηση της ταχύτητας του ανέμου οδηγεί και σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας .

Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην ακριβή τοποθέτηση των ανεμογεννητριών , η οποία

γίνεται μετά από αναλυτική παρακολούθηση των τοπικών ανέμων για ένα μεγάλο χρονικό

διάστημα πριν την εγκατάσταση.

Τέλος , αξίζει να αναφερθεί ότι η περιοχή στην οποία εγκαθίσταται το αιολικό πάρκο,

αλλοιώνεται μόνο οπτικά και παραμένει αξιοποιήσιμη για γεωργία η κτηνοτροφία.

Αιολικά Πάρκα κοντά στην ακτή

Είναι τα πάρκα που βρίσκονται στην ξηρά εντός της ζώνης των τριών χιλιομέτρων από

την ακτογραμμή ή στην θάλασσα εντός της ζώνης των δέκα χιλιομέτρων από την ακτογραμμή .

Αυτές οι τοποθεσίες είναι αποδοτικές για εγκατάσταση λόγω του ανέμου που δημιουργείται από

την θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ θάλασσας και ξηράς καθημερινά.

54

Εικόνα 6.1 . Αιολικό πάρκο στο όρος Παναχαϊκό Αχαΐας.

Ε

Εικόνα 6.2 . Αιολικό Πάρκο κοντά στην ακτή

55

Παράκτια Αιολικά Πάρκα (offshore)

Είναι εγκατεστημένα σε θαλάσσιες περιοχές πέραν των δέκα χιλιομέτρων από την ακτή

. Ακριβώς επειδή η επιφάνεια του νερού είναι ομαλότερη αυτής του εδάφους , η ταχύτητα του

ανέμου είναι υψηλότερη από την ξηρά , έτσι ο συντελεστής Χρησιμοποίησης ή συντελεστής

Εκμετάλλευσης (Capacity Factor) είναι υψηλότερος των άλλων δυο τύπων αιολικών πάρκων .

Γενικά έχουν μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης , οι πύργοι είναι

ψηλότεροι των χερσαίων.

Η μεταφορά της ενέργειας γίνεται με υποθαλάσσιο καλώδιο , σε περιπτώσεις μεγάλων

αποστάσεων από την ακτή χρησιμοποιείται μεταφορά με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης (HVDC)

για ελαχιστοποίηση των απωλειών κατά την μεταφορά .

Εικόνα 6.3 . Παράκτιο Αιολικό Πάρκο (offshore)

56

6.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ

Το ενδιαφέρον για τη χρήση “offshore” (παράκτιων) αιολικών πάρκων αυξάνεται σημαντικά

διεθνώς . Ο λόγος είναι πως η ταχύτητα του ανέμου κοντά στην ακτή είναι υψηλότερη από ότι

“onshore”(χερσαία πάρκα) , κάτι που σημαίνει πολύ υψηλότερη παραγωγή ισχύος . Ένα 10%

αύξηση στην ταχύτητα του ανέμου αντιστοιχεί σε 30 % αύξηση στην παραγωγή ισχύος .

Εντούτοις , το κόστος εγκατάστασης είναι πολύ μεγαλύτερο για “offshore” σε σχέση με

“onshore” αιολικά πάρκα .

Το εσωτερικό ηλεκτρικό σύστημα ενός “offshore” αιολικού πάρκου και η σύνδεσή του με το

κύριο σύστημα ισχύος θέτει νέες προκλήσεις . Στο “onshore” , η συνηθισμένη λύση είναι ένα

a.c. δίκτυο μέσα στο αιολικό πάρκο , το οποίο συλλέγει την παραγωγή ισχύος από κάθε

ανεμογεννήτρια . Το επίπεδο της τάσης μέσα σε ένα αιολικό πάρκο είναι συχνά το ίδιο με το

μέσο επίπεδο της τάσης στο σημείο διανομής του δικτύου . Όπως οι περισσότερες γεννήτριες σε

αιολικά συστήματα λειτουργεί σε ένα επίπεδο τάσης των 690V . Μετασχηματιστές οι οποίοι

έχουν εγκατασταθεί απευθείας ή κοντά στη βάση κάθε ανεμογεννήτριας χρησιμοποιούνται για

να αυξήσουν το επίπεδο τάσης της γεννήτριας στο επίπεδο τάσης του δικτύου του αιολικού

πάρκου . Το υψηλότερο επίπεδο τάσης που χρησιμοποιείται σε ένα “onshore” αιολικό πάρκο

κινείται συνήθως μεταξύ 33 και 36kV .

Εντούτοις , τα “offshore” αιολικά πάρκα τείνουν να γίνουν μεγαλύτερα και η απόσταση

ανάμεσα στις ανεμογεννήτριες είναι συνήθως μεγαλύτερη από ότι σε “onshore” αιολικά πάρκα .

Για μεγάλα offshore αιολικά πάρκα με a.c. δίκτυο , υψηλότερα επίπεδα τάσης είναι χρήσιμα για

την ελαχιστοποίηση των απωλειών ισχύος , αλλά από την άλλη μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα

μεγαλύτερους μετασχηματιστές και υψηλότερα κόστη μετασχηματιστών . Οι μετασχηματιστές

τοποθετούνται στην άτρακτο , τον πύργο ή σε ένα κιβώτιο μετά την ανεμογεννήτρια . Για αυτό

το λόγο το μέγεθος του μετασχηματιστή μπορεί να είναι πρόβλημα . Σήμερα , μια τάση

συλλογής των 36kV θεωρείται κλασική επιλογή .

Μικρότερα “offshore” αιολικά πάρκα επιλέγονται για συγκριτικά χαμηλά επίπεδα τάσης . Ο

λόγος είναι ότι η μείωση των απωλειών φόρτισης δεν είναι επαρκής για να δικαιολογηθεί το

κόστος του απαιτούμενου εξοπλισμού για υψηλότερα επίπεδα τάσης . Το ίδιο εφαρμόζεται σε

μικρότερα “offshore” αιολικά πάρκα που σχεδιάζονται τελευταία .

57

Ο σχεδιασμός δικτύου ενός “offshore” αιολικού πάρκου δεν αντιστοιχεί απαραίτητα στο πιο

ενεργειακά αποδοτικό δίκτυο (δηλ. με τις χαμηλότερες απώλειες) . Ο λόγος είναι ότι οι offshore

σταθμοί μετασχηματισμού είναι πιο σύνθετοι και περιλαμβάνουν μεγάλες δομές υποστήριξης .

Έτσι , οι offshore σταθμοί μετασχηματισμού είναι πολύ ακριβοί ενώ δεν είναι εξακριβωμένη

ακόμα η αξιοπιστία τους .

Για τη μεταφορά στην ακτή , χρησιμοποιούνται είτε HVAC (υψηλής τάσης εναλλασσόμενο

ρεύμα) είτε HVDC (υψηλής τάσης συνεχές ρεύμα) συνδέσεις . Για HVDC υπάρχουν δυο

τεχνικές : ο “LCC” (line commutated converter) βασισμένος στην HVDC τεχνολογία και ο

“VSC” (voltage source converter) βασισμένος στο HVDC .

Όλα τα offshore αιολικά πάρκα που λειτουργούν τελευταία έχουν αποδεχτεί την a.c. επιλογή ,

καθώς και όλα όσα προγραμματίζεται να εγκατασταθούν στο άμεσο μέλλον θα χρησιμοποιούν

επίσης την a.c. λύση . Αυτό γίνεται εξαιτίας του συγκριτικά μικρού μεγέθους και / ή της μικρής

απόστασης ανάμεσα στην ακτή και τα υπαρκτά αιολικά πάρκα . Καθώς το μέγεθος των

μελλοντικών αιολικών πάρκων και η απόσταση από την ακτή φαίνεται να αυξάνονται , αυτό

μπορεί να αλλάξει .

Υπάρχουν 3 διαφορετικοί τρόποι σύνδεσης των offshore αιολικών πάρκων με την ακτή .

- HVAC μεταφορά

- LCC βασισμένη σε HVDC μεταφορά

- VSC βασισμένη σε HVDC μεταφορά

Το γενικό μοντέλο ενός offshore αιολικού πάρκου , με HVAC ή HVDC μεταφορά φαίνεται στο

σχήμα 6.4 .

Σχήμα 6.4 . Παρουσιάζεται σχηματικά ένα offshore αιολικά πάρκο . Το σημείο συλλογής μπορεί

να είναι ένας offshore υποσταθμός . (PCC = point of common coupling)

58

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 DC ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΕ VSC

ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ

Οι Μετατροπείς Πηγής Τάσης (VSC) χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά για μεταφορά

υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος (HVDC) σε ένα πραγματικό δίκτυο . Η πείρα από το

σχεδιασμό και την υλοποίηση της μεταφοράς δείχνει ότι η τεχνολογία έχει φτάσει πλέον στο

επίπεδο όπου είναι δυνατό να φτιαχτούν μετατροπείς υψηλής τάσης οι οποίοι να χρησιμοποιούν

διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBTs) . Η λειτουργία τους έχει αναπτυχθεί στο βαθμό

που οι δυνατότητες που συζητιόνταν για πολλά χρόνια γύρω από τους VSC για HVDC να είναι

πραγματικότητα σήμερα . Περιλαμβάνουν ανεξάρτητο έλεγχο της ενεργού και της άεργου

ισχύος , αντιθετική λειτουργία σε απομονωμένα δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος που δεν

παράγουν ενέργεια από μόνα τους , πολύ μικρή ανάγκη φίλτρων και καθόλου ανάγκη

μετασχηματιστών για τη διαδικασία μετατροπής .

Αυτή είναι μονάχα η πρώτη εγκατάσταση των VSC για IGBTs . Η ανάπτυξη των ημιαγωγών

και του εξοπλισμού ελέγχου είναι ραγδαία και είναι φανερό πως αυτή η τεχνολογία θα παίξει

σημαντικό ρόλο στη μελλοντική έκρηξη των συστημάτων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής

ενέργειας .

7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στις 10 Μάρτη 1997 μεταφέρθηκε ισχύς στο πρώτο HVDC μεταφοράς στον κόσμο με VSC

μετατροπείς ανάμεσα στο Hellsjon (Hn) και το Grangesberg (Gbrg) στην κεντρική Σουηδία .

Από τότε έχουν γίνει εκτεταμένες δοκιμές με σκοπό να αποδειχθεί πως η VSC HVDC

τεχνολογία ικανοποιεί τις υποθέσεις που αρκετό καιρό πριν έχουν εκφραστεί σε διάφορες

εκδόσεις .

Παρακάτω θα περιγραφεί η τεχνολογία που έχει χρησιμοποιηθεί , η ανάπτυξη του project και

οι δοκιμές που έχουν γίνει κατά τη διάρκεια της λειτουργίας .

59

Τα VSC δείχνουν να είναι κατάλληλα για μικρή κλίμακα HVDC , εφόσον μπορούν να

λειτουργήσουν σε κάθε αναλογία βραχυκυκλώματος , ακόμα και απέναντι σε απομονωμένα

δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος (a.c. δίκτυα) χωρίς άλλες γεννήτριες στο σύστημα .

7.2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ (VSC) ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΠΛΑΤΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ (PWM)

Τα HVDC αναπτύχθηκαν αρχικά από τεχνολογίες που χρησιμοποιούνταν σε βιομηχανικά

συστήματα οδήγησης . Η τεχνολογία μετατροπέα με θυρίστορς (PCC) που μέχρι σήμερα

χρησιμοποιείται για τα HVDC , αντικαθίσταται σταδιακά από την τεχνολογία VSC . Η βασική

διαφορά ανάμεσα σε αυτές τις δύο τεχνολογίες , είναι πως οι VSC περιέχουν ημιαγωγικά

στοιχεία υψηλής διακοπτικής συχνότητας (IGBTs) , τα οποία μπορούν να ανάψουν και να

σβήσουν πολλές φορές μέσα σε μια περίοδο . Αντίθετα , τα ημιαγωγικά στοιχεία του PCC

ανάβουν , αλλά μπορούν να σβήσουν μόνο όταν μηδενιστεί το ρεύμα που περνά μέσα από αυτά.

Δεδομένου ότι σε ένα VSC υπάρχει η δυνατότητα σβέσης , δεν υπάρχει η ανάγκη δικτύου

που να ανταλλάσσει ισχύ σε αντίθετη κατεύθυνση . Η χρήση της VSC τεχνολογίας στα HVDC

θα ήταν πλεονέκτημα ειδικά για την τροφοδοσία δικτύων παθητικού φορτίου , τα οποία είναι

περιοχές όπου δεν υπάρχουν περιστροφικές μηχανές ή που δεν υπάρχει αρκετή ισχύς στις

περιστροφικές μηχανές (χαμηλή ισχύς βραχυκύκλωσης ) .

Το γεγονός ότι στην τεχνολογία PCC τα διακοπτικά στοιχεία είναι χαμηλής διακοπτικής

συχνότητας , αυξάνει την έγχυση αρμονικών στο ηλεκτρικό δίκτυο . Για να μειωθούν οι

παραγόμενες αρμονικές , οι μετατροπείς πρέπει να διαιρεθούν σε αρκετούς μικρότερους που

λειτουργούν με μετατόπιση φάσης . Σε αυτή την περίπτωση απαιτούνται σχετικά σύνθετοι

μετασχηματιστές για τη σύνδεση των μετατροπέων .

Στους VSC , με την εμφάνιση των παραγόντων συχνότητας υψηλής μεταβολής , όπως οι

IGBTs , γίνεται επιθυμητή η χρήση της τεχνολογίας ρύθμισης του πλάτους των παλμών (PWM)

. Σε έναν VSC μετατροπέα, η εναλλασσόμενη τάση δημιουργείται από την πολύ γρήγορη

μετάβαση ανάμεσα σε 2 ρυθμισμένες τάσεις . Αυτό γίνεται αναβοσβήνοντας τους ημιαγωγούς

πολλές φορές μέσα σε μια περίοδο . Η επιθυμητή τάση με τη θεμελιώδη συχνότητα (η βασική

αρμονική) δημιουργείται μέσω ενός χαμηλοπερατού φιλτραρίσματος του υψηλής συχνότητας

παλμού της ρυθμισμένης τάσης . Έτσι αποφεύγονται τα μεγάλα φίλτρα . Δείτε τα σχήματα 7.1

και 7.2 .

60

Σχήμα 7.1 . Μια φάση ενός VSC μετατροπέα που χρησιμοποιεί PWM

Σχήμα 7.2 . Πρότυπο PWM και τάση θεμελιώδους συχνότητας σε έναν VSC

Με το PWM είναι δυνατή η δημιουργία κάθε φασικής γωνίας ή πλάτους (ως ένα γενικό όριο)

μέσω της μεταβολής του προτύπου του PWM (του σήματος ελέγχου της μεθόδου) , κάτι που

μπορεί να γίνει σχεδόν ακαριαία . Tο PWM προσφέρει τη δυνατότητα να ελεγχθούν η ενεργός

και η άεργος ισχύς ανεξάρτητα η μια από την άλλη .

Αυτό καθιστά το PWM VSC έναν σχεδόν ιδανικό παράγοντα στο δίκτυο μεταφοράς . Από τη

σκοπιά του συστήματος , ένας VSC που παλμοδοτείται με τη μέθοδο της διαμόρφωσης του

πλάτους των παλμών , λειτουργεί σαν κινητήρας ή σα γεννήτρια χωρίς μάζα , που μπορεί να

61

ελέγξει την ενεργό και την άεργο ισχύ σχεδόν ακαριαία . Έτσι , η τεχνολογία των VSC μπορεί

να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει παθητικά δίκτυα , δηλαδή περιοχές στις οποίες δεν

υπάρχει παραγωγή ή περιοχές με χαμηλή ισχύ βραχυκύκλωσης . Επιπλέον , δε συνεισφέρει στην

ισχύ βραχυκύκλωσης δεδομένου ότι το a.c. ρεύμα μπορεί να ελεγχθεί .

7.3 ΤΟ PROJECT HELLSJON

Η ανάπτυξη των VSC μετατροπέων προχωρούσε για καιρό μέσα στο ABB . Στη διάρκεια

αυτής της ανάπτυξης διαπιστώθηκε ότι το IGBT παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον , καθώς

αποτελεί μια MOS – συσκευή και η ζήτηση ισχύος για τον έλεγχο του είναι πολύ χαμηλή .

Μέσω αυτής της σε σειρά σύνδεσης αρκετών ημιαγωγών με καλή διανομή τάσης , ακόμη και

συχνότητες μεταβατικής κατάστασης στην τάξη των kHz είναι δυνατές .

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΗΝ ΤΟΠΙΚΗ ΧΡΗΣΗ

Στα 1994 η ανάπτυξη των VSC μετατροπέων επικεντρώθηκε σε μια εφαρμογή που βάζει σε

λειτουργία δυο VSC μετατροπείς για μικρή κλίμακα HVDC με βάση τα IGBTs . Στη συνεργασία

με την τοπική χρήση έγινε δυνατό να σχεδιαστεί η μεταφορά για λειτουργία σε ένα εμπορικό

δίκτυο . Μια a.c. γραμμή των 50 kV και μήκους 10 km ανάμεσα στο (Hn) και στο (Gbrg) στην

κεντρική Σουηδία διατέθηκε για το project . Η μεταφορά καθορίστηκε στα 3 MW , λίγο

παραπάνω από την υδρο – γεννήτρια στο (Hn) , με μια τάση συνεχούς των +-10kV d.c. . Οι

σταθμοί των μετατροπέων έχουν συνδεθεί σε ξεχωριστά μέρη ενός δικτύου a.c. των 10 kV .

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΗ

Κατά την ανάπτυξη αυτού του project τα διάφορα χαρακτηριστικά και οι συμπεριφορές των

VSC μετατροπέων , του PWM ελέγχου , των IGBT βαλβίδων κλπ δοκιμάστηκαν σε ψηφιακή

και αναλογική προσομοίωση . Τελικά , οι πλήρεις σταθμοί μεταφοράς συνδέθηκαν σε ένα

κύκλωμα ισχύος στη Ludvika . Μέχρι το τέλος του 1996 , και ύστερα από περιεκτικά συνθετικά

τεστ , ο εξοπλισμός μετακινήθηκε στην περιοχή εγκατάστασης και δοκιμής . Στις 10 Μάρτη του

62

1997 μεταφέρθηκε ισχύς μεταξύ του (Hn) και του (Gbrg) στο (Hn) project , η πρώτη VSC

HVDC μεταφορά στον κόσμο .

7.4 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

Η βασική δομή του μετατροπέα αποτελείται από τη γέφυρα , την επαγωγή διεπαφής

(converter reactor) , έναν πυκνωτή συνεχούς ρεύματος (d.c. πυκνωτή) και ένα φίλτρο

εναλλασσόμενου ρεύματος (a.c. φίλτρο) .

Η γέφυρα είναι μια γέφυρα έξι-παλμών , με δυο επίπεδα , με σειριακά συνδεδεμένα IGBTs σε

κάθε βαλβίδα . Κάθε IGBT είναι εφοδιασμένο με μια αντιπαράλληλη δίοδο . Βοηθητική ισχύς

στη μονάδα θύρας οδήγησης παράγεται από την τάση κατά μήκος της IGBT . Το άναμμα /

σβήσιμο κάθε ξεχωριστού IGBT επιβάλλεται διαμέσου ενός οπτικού συνδέσμου από τον

εξοπλισμό ελέγχου . Οι ημιαγωγοί παγώνουν με απιονισμένο νερό .

Το αντικείμενο του d.c. πυκνωτή είναι πρωταρχικά να εξασφαλίσει ένα χαμηλής επαγωγής

δρόμο για το turn off ρεύμα , και μια αποθήκη ενέργειας που να είναι ικανή να ελέγξει τη ροή

ισχύος . Ο πυκνωτής επίσης μειώνει τις αρμονικές της d.c. πλευράς.

Ο μετατροπέας παράγει αρμονικές που σχετίζονται με τη συχνότητα μεταβολής . Τα a.c.

ρεύματα εξομαλύνονται από την επαγωγή διεπαφής και τα εναπομείναντα στοιχεία των

αρμονικών μειώνονται από ένα υψηλοπερατό φίλτρο .

Με βάση τις ανάγκες του συστήματος , ο μετατροπέας πρέπει να εφοδιαστεί με δυο ακόμα

παράγοντες :

- έναν ηλεκτρονικό διακόπτη υπερτάσεων ( chopper) για το γρήγορο άδειασμα του d.c. πυκνωτή

αν η d.c. τάση ξεπερνάει τη μέγιστη d.c. τάση για έναν ξεμπλοκαρισμένο μετατροπέα . Αυτή η

λειτουργία πραγματοποιείται μέσω ενός γρήγορου διακόπτη και ενός αντιστάτη .

- διακόπτες DC γραμμής , αν η γρήγορη απομόνωση του μετατροπέα απαιτείται στα σφάλματα

της d.c. γραμμής .

Τα στοιχεία του βασικού κυκλώματος φαίνονται στο σχήμα 7.3 .

63

Σχήμα 7.3 . Στοιχεία βασικού κυκλώματος

Λειτουργία του ηλεκτρονικού διακόπτη υπερτάσεων : με την εμφάνιση υπέρτασης στα άκρα

του μετατροπέα , οι 2 ηλεκτρονικοί διακόπτες κλείνουν και έτσι τα άκρα του μετατροπέα

γειώνονται. Έτσι η τάση ελαττώνεται και πέφτει κάτω από τη ρυθμισμένη τιμή , οδεύοντας προς

το μηδέν . Αλλά , με το που γίνεται μικρότερη από τη ρυθμισμένη τάση , ο διακόπτης ανοίγει

και πάλι , συνεπώς ο μετατροπέας δεν είναι πλέον γειωμένος και η τάση φτάνει τη ρυθμισμένη

τιμή . Αν έχουμε νέα υπέρταση , επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία .

Λειτουργία διακοπτών d.c. γραμμής : σε περίπτωση σφάλματος στη d.c. γραμμή , είναι

επιθυμητή η γρήγορη απομόνωση του μετατροπέα , γιατί σε αντίθετη περίπτωση θα

βραχυκυκλωθούν τα άκρα του μετατροπέα . Έτσι , ο μηχανισμός του διακόπτη σε συνδυασμό με

μια μεγάλη αντίσταση λειτουργεί ως εξής : Όταν δεν υπάρχει σφάλμα , ο διακόπτης είναι

κλειστός και συνεπώς το ρεύμα κινείται μέσω του κλειστού διακόπτη προς τη d.c. γραμμή .

Όταν υπάρχει σφάλμα , ο διακόπτης ανοίγει και το ρεύμα περνάει από το δρόμο της μεγάλης

αντίστασης προς τη d.c. γραμμή , δηλαδή με μια σημαντική απόσβεση .

64

ΕΛΕΓΧΟΣ

Η τάση της θεμελιώδους συχνότητας κατά μήκος της επαγωγής διεπαφής ορίζει τη ροή

ισχύος ανάμεσα στην a.c. και την d.c. πλευρά . Στη διαδικασία ελέγχου υπολογίζεται μια

χρονική περιοχή τάσης κατά μήκος της επαγωγής διεπαφής του μετατροπέα , από τον οποίο

ζητείται να μεταβάλλει το ρεύμα που διαρρέει την επαγωγή διεπαφής από μια πραγματική τιμή

σε μια τιμή αναφοράς . Η ροή ενεργού ισχύος ανάμεσα στο μετατροπέα και το a.c. δίκτυο

ελέγχεται μέσω της μεταβολής της φασικής γωνίας μεταξύ της τάσης θεμελιώδους συχνότητας

που παράγεται από το μετατροπέα (Ug) και την a.c. τάση . Η ροή άεργου ισχύος έχει καθοριστεί

από το πλάτος της Ug το οποίο ελέγχεται από το πλάτος των παλμών της γέφυρας του

μετατροπέα . Για την ενεργό και την άεργο ισχύ ισχύουν οι παρακάτω εξισώσεις :

Ug×UacP = sinX

δ Σχέση 7.1

( )Uac Uac- Ug×cosX

Q = δ Σχέση 7.2

όπου

Uac η πρώτη αρμονική της τάσης στο άκρο της επαγωγής διεπαφής από την πλευρά του

δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος

Ug η πρώτη αρμονική της παραγόμενης από το VSC τάσης στο άκρο της επαγωγής

διεπαφής από την πλευρά των βαλβίδων

Χ η συνολική επαγωγή ανάμεσα στα δυο άκρα

Συνεπώς , η κύρια λειτουργία του συστήματος ελέγχου των VSC , η οποία είναι κοινή σε

όλες τις τοπολογίες των VSC , είναι ο έλεγχος της γωνίας και του πλάτους της παραγόμενης από

τον VSC τάσης , Ug .

Το ρεύμα στον ελεγκτή υπολογίζεται μέσω της ρύθμισης ισχύος / ρεύματος ή μέσω του

ελέγχου της d.c. τάσης . Μια τάση αναφοράς , ίσης φάσης και πλάτους με τον όρο θεμελιώδους

65

ισχύος της τάσης εξόδου από τη γέφυρα , Ug , υπολογίζεται . Ο πρότυπος παλμός παράγεται

μέσω του PWM .

7.5 ΔΟΚΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ

ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ

Η απόκριση του συστήματος ελέγχου έχει δοκιμαστεί εκτεταμένα σε έναν αναλογικό

προσομοιωτή . Τα βασικά κυκλώματα σε αυτόν τον χαμηλής ισχύος προσομοιωτή

αναπαρίστανται με φυσικά πρότυπα τα οποία έχουν ιδιότητες που αντιστοιχούν σε όρους

πλήρους κλίμακας . Το κύριο πλεονέκτημα του προσομοιωτή , είναι πως χρησιμοποιείται

εξοπλισμός ελέγχου ίδιος με το σύστημα πλήρους κλίμακας . Η δυναμική απόκριση του

συστήματος έχει μελετηθεί στη διάρκεια διαφόρων τύπων διαταραχών , όπως σφάλματα στο a.c.

σύστημα , d.c. σφάλματα και σφάλματα μετατροπέα .

Παρόμοια ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου έχει γίνει μέσω ψηφιακής προσομοίωσης στο

πρόγραμμα EMTDC . Ο εξοπλισμός ελέγχου για το μετατροπέα , βασικά κυκλώματα και a.c.

σύστημα έχουν παρουσιαστεί λεπτομερώς .

Για πιο σίγουρα σωστή λειτουργία του συστήματος , τοποθετείται ένα δοκιμαστικό κύκλωμα

μέσης τάσης . Το δοκιμαστικό κύκλωμα περιλαμβάνει δύο μετατροπείς με a.c. επαγωγές

διεπαφής και φίλτρα και μια αναπαράσταση μιας d.c. υπερυψωμένης γραμμής . Κάθε βαλβίδα

στη γέφυρα αναπαρίσταται με ένα βιομηχανικό IGBT . Σε αυτή τη δοκιμή , εξακριβώνεται η

κανονική λειτουργία μιας HVDC μεταφοράς με VSC μετατροπείς . Επίσης , μελετώνται οι

τρόποι μόνιμης κατάστασης , όπως ο έλεγχος d.c. τάσης , ο έλεγχος ενεργού και άεργου

ρεύματος και κάποιες λάθος συνθήκες .

VSC ΒΑΛΒΙΔΑ

Το πιο σημαντικό πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί ήταν το πώς θα επιτευχθεί η διανομή τάσης

μεταξύ ενός μεγάλου αριθμού από σειρές συνδεδεμένων IGBTs στη λειτουργία μιας βαλβίδας .

Για να γίνει αυτό , σχεδιάστηκε μια ειδική Gate Unit (GU), η οποία μαζί με έναν διαιρέτη τάσης

66

κατά μήκος του κάθε IGBT , συντηρεί μια κατάλληλη διαίρεση τάσης μέσα στη βαλβίδα κατά

τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων και μπλοκαρισμάτων παράλληλα .

Η GU και ο διαιρέτης τάσης αναπτύχθηκαν με εντατικές δοκιμές μιας στήλης IGBTs που

λειτουργούν ως διακόπτες σε ένα δοκιμαστικό κύκλωμα διπλού παλμού . Το δοκιμαστικό

κύκλωμα διπλού παλμού αποτελείται από ένα converter phase leg , ένα d.c. πυκνωτή και μια

επαγωγή διεπαφής κατάλληλου μεγέθους . Η λεπτομερής συμπεριφορά των μεταβατικών

φαινομένων έχει μελετηθεί στο άναμμα και το σβήσιμο του IGBT και στο σβήσιμο της διόδου .

Κατάλληλη πύλη ελέγχου όταν συνδυάζεται με ένα μικρό διαιρέτη τάσης κάνει δυνατό να

πετύχουμε μαζί καλή διαίρεση τάσης και χαμηλές απώλειες μεταβατικών φαινομένων .

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΔΟΚΙΜΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Το σύστημα δοκιμάστηκε με πλήρως ρυθμισμένη τάση (10kV a.c. και +-10 kV d.c.) και

ρεύμα . Κάθε μετατροπέας δοκιμάστηκε αρχικά σαν ξεχωριστή μονάδα , λειτουργώντας ως VSC

. Τότε οι δυο μετατροπείς συνδέονται και λειτουργούν με τον τρόπο που φαίνεται στο σχήμα 7.4

.

Σχήμα 7.4 . Εργαστηριακή δοκιμή συστήματος

Οι a.c. ακροδέκτες συνδέονται μαζί , που σημαίνει πως η ενεργός ισχύς μονάχα κυκλοφορεί

μεταξύ των μετατροπέων , και η a.c. τροφοδοσία τροφοδοτεί μονάχα την ενεργό ισχύ που

αντιστοιχεί στις απώλειες του συστήματος .

67

Η άεργος ισχύς μπορεί να μεταβάλλεται σε κάθε μετατροπέα ανεξάρτητα από τoν άλλο ,

μέσα στο όριο για τη ροή ισχύος στην τροφοδοσία . Η διαμόρφωση επιτρέπει λειτουργία

δοκιμής πλήρους κλίμακας με μια σχετικά αδύναμη τροφοδοσία.

Εκτεταμένες δοκιμές έχουν γίνει για την εξακρίβωση της λειτουργίας στη μόνιμη κατάσταση

της γέφυρας του μετατροπέα και για τη μελέτη της απόκρισης μιας βαλβίδας με αρκετές σειρές

συνδεδεμένων IGBTs .

7.6 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ

Χάρη στην εργαστηριακή δοκιμή του πλήρους συστήματος η υλοποίηση ήταν πολύ γρήγορη .

Οι δυο σταθμοί υλοποιήθηκαν ένας προς έναν , λειτουργώντας ως VSC , καταναλώνοντας και

παράγοντας άεργο ισχύ . Αυτό σημαίνει πως κάθε σταθμός θα μπορούσε να δοκιμαστεί

κατάλληλα σαν ξεχωριστή μονάδα ανεξάρτητα από τον άλλο σταθμό . Ύστερα , οι δυο σταθμοί

συνδέθηκαν στη d.c. υπερυψωμένη γραμμή και η ροή της ενεργού ισχύος μπορούσε να

ξεκινήσει .

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΙΜΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΜΠΛΟΚΑΡΙΣΜΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

Η λειτουργία μόνιμης κατάστασης εξακριβώθηκε με έλεγχο της d.c. τάσης στον ένα σταθμό

και με έλεγχο του ρεύματος στον άλλο σταθμό . Η δυναμική απόκριση σε τυπικές ενέργειες

προστασίας περιγράφηκε . Τέτοιες περιπτώσεις είναι :

- μπλοκάρισμα του σταθμού ελέγχου της d.c. τάσης με ροή ενεργού ισχύος μέσα στο d.c.

σύστημα

- μπλοκάρισμα του σταθμού ελέγχου του ρεύματος με ροή ισχύος έξω από το d.c.

Στην πρώτη περίπτωση , η d.c. τάση πέφτει παροδικά . Τότε ο σταθμός που έχει απομείνει

αναλαμβάνει τον έλεγχο της d.c. τάσης και συνεχίζει να λειτουργεί και να ελέγχει μαζί την

άεργο ισχύ και τη d.c. τάση (παροδικά σε χαμηλό επίπεδο) .

68

Σχήμα 7.5 . Μπλοκάρισμα του σταθμού ελέγχου τάσης

Αν αντίθετα μπλοκάρει ο σταθμός ελέγχου ρεύματος όταν η ισχύς ρέει μέσα στο

συνδεδεμένο a.c. σύστημα , η ισχύς στο d.c. σύστημα συνεχίζει να ρέει διαμέσου του άλλου

σταθμού και περισσότερο η αποθηκευμένη ενέργεια στην επαγωγή στη d.c. γραμμή και ο

μετατροπέας θα φορτίζει τους d.c. πυκνωτές . Η d.c. υπέρταση που προκύπτει , αρχικά

εξουδετερώνεται μέσω μιας ελάττωσης της ισχύος και στη συνέχεια μέσω αντιστροφής χαμηλής

ισχύος στο σταθμό ελέγχου της τάσης . Ο σταθμός θα συνεχίσει να λειτουργεί και να ελέγχει

μαζί τη d.c. τάση και τη ροή άεργου ισχύος .

69

Σχήμα 7.6 . Μπλοκάρισμα του σταθμού ελέγχου ρεύματος

Στην περίπτωση όπου η d.c. τάση αυξάνεται πολύ . εξαιτίας π.χ. μιας μεγάλης υπερύψωσης

της d.c. γραμμής , ο μετατροπέας πρέπει να μπλοκάρει προσωρινά και η d.c. πλευρά

εκφορτίζεται από τον ηλεκτρονικό διακόπτη υπερτάσεων (chopper) φτάνοντας περίπου τη

70

ρυθμισμένη τάση πριν ο μετατροπέας ξεμπλοκάρει ξανά . Αυτή η διακοπή ισχύος μπορεί να

είναι πολύ μικρή , της τάξης μερικών milliseconds .

ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΜΒΙΒΑΣΜΟΥ ΙΣΧΥΟΣ

Η υλοποίηση περιλαμβάνει επίσης μετρήσεις για τα ακόλουθα χαρακτηριστικά του μετατροπέα :

- επίπεδο θορύβου ισχύος

- ραδιοφωνική παρεμβολή

- παραμόρφωση αρμονικών

Και τα τρία παραπάνω στοιχεία σχετίζονται με το άναμμα και το σβήσιμο των βαλβίδων .

(Α) . ΕΠΙΠΕΔΟ ΘΟΡΥΒΟΥ ΙΣΧΥΟΣ

Ο κύριος θόρυβος που παράγεται στο σταθμό μετατροπέα σχετίζεται με τη συχνότητα

μεταβατικών φαινομένων . Οι διάφορες πηγές θορύβου μέσα στο σταθμό μετατροπέα έχουν

προσδιοριστεί και το συνολικό επίπεδο θορύβου έχει μετρηθεί για διάφορες κατευθύνσεις και

αποστάσεις . Το επίπεδο θορύβου από το σταθμό μετατροπέα δεν υπερβαίνει τα 40 dB (A) σε

απόσταση 40 m από την περίφραξη του σταθμού ο οποίος ήταν ο στόχος του σχεδιασμού .

(Β) . ΡΑΔΙΟΦΩΝΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (RI)

RI μετρήσεις έχουν πραγματοποιηθεί στο (Hn) και στο (Gbrg) .

Το πιο κατάλληλο στάνταρ για να οριστούν τα όρια στην περίπτωση αυτή είναι το ENV

50121-5 . Αυτό το στάνταρ απαιτεί μια μέτρηση σε απόσταση 3 m από την περίφραξη γύρω από

την εγκατάσταση .

Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε απόσταση περίπου 30m από τη ραδιοφωνική πηγή με

σκοπό την αποφυγή ηλεκτρικής προστασίας από την περιβάλλουσα περίφραξη του HVDC

σταθμού . Το επίπεδο του σήματος σε αυτήν την απόσταση από το φράκτη έχει προσδιοριστεί

πίσω στα 3 m .

71

Η μετρηθείσα RI είναι στα επιθυμητά επίπεδα με βάση το ENV 50121-5 για κλίμακα

συχνότητας από 9 kHz ως 1 GHz .

(Γ) . ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ

Οι ρυθμίσεις του a.c. φίλτρου αποτελούνται από έναν απλό κλάδο υψηλοπερατού φίλτρου

στην a.c. πλευρά . Το μέγεθος είναι 10% της καθορισμένης ισχύος του μετατροπέα και το φίλτρο

ρυθμίζεται στην 40η αρμονική (q=10) .

Το επίπεδο παραμόρφωσης αρμονικών (THD) στην a.c. πλευρά στο (Hn) έχει μετρηθεί για

διάφορες συνθήκες φόρτισης του μετατροπέα . Το μέσο επίπεδο της μετρηθείσας συνολικής

παραμόρφωσης αρμονικών στα 3kHz είναι 3.8% . Αυτή η τιμή μπορεί να συγκριθεί επίπεδα των

5.0% και 8.0% για τάσεις κάτω από 69 και 45 kV αντίστοιχα . Η ονομαστική τάση είναι 10.5

kV.

Η μετρηθείσα παραμόρφωση αρμονικών αντιστοιχεί σε έναν THFF των 2% .

7.7 ΔΟΚΙΜΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

ΑΚΤΙΝΙΚΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

Ο στόχος της δοκιμής είναι να δειχθεί πως είναι εφικτό να τροφοδοτηθεί ένας VSC

μετατροπέας από μια απομονωμένη σύγχρονη γεννήτρια . Ο τρόπος λειτουργίας είναι έλεγχος

σταθερής ισχύος και έλεγχος a.c. τάσης στη σύγχρονη γεννήτρια και έλεγχος συχνότητας στο

μετατροπέα .

ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Το βασικό κύκλωμα στο (Hn) ήταν όπως αυτό που φαίνεται στο σχήμα 7.7 .

72

Σχήμα 7.7 . Απομονωμένη λειτουργία με τη γεννήτρια

Όλες οι a.c. γραμμές είναι αποσυνδεμένες από την τάση των 10 kV .

ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ

Ο έλεγχος τάσης στη γεννήτρια και ο έλεγχος ρεύματος του VSC δε λαμβάνονται υπ’ όψιν

στο πρότυπο ανάλυσης εξαιτίας της γρήγορης δυναμικής συμπεριφοράς τους με σεβασμό στις

σταθερές χρόνου της μηχανής .

Στην ανάλυση περιλαμβάνονται η αδράνεια της μηχανής , ο υπολογισμός της συχνότητας και

τα φίλτρα μέτρησης .

Ο κανόνας ελέγχου βασίζεται κυρίως στην εξίσωση 7.3 και στις συναρτήσεις φίλτρου

μέτρησης . Ο έλεγχος βασίζεται σε έναν PI ελεγκτή .

Σχέση 7.3

73

Όπου :

Sn = καθορισμένη ισχύς μηχανής

Pm = μηχανική ισχύς

P = ηλεκτρική ισχύς

f = ονομαστική συχνότητα

δ = γωνιακή θέση

Η = ανά μονάδα σταθερά αδράνειας

ΒΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ

Στόχος αυτής της δοκιμής είναι να δειχθεί η βηματική απόκριση εξαιτίας ενός βήματος στη

ρύθμιση συχνότητα αναφοράς .

Το σχήμα 7.8 δείχνει μια αλλαγή της συχνότητας από 48 σε 52 Hz . Η πρώτη καμπύλη είναι

η βηματική απόκριση συχνότητας και η δεύτερη καμπύλη είναι η ισχύς που ρυθμίζεται στο

μετατροπέα . Ο μετατροπέας μειώνει τη μεταφορά ισχύος και η σύγχρονη γεννήτρια αυξάνει

τότε την ταχύτητά της εξαιτίας του μειωμένου φορτίου .

74

Σχήμα 7.8 . Βήμα συχνότητας από 48 Hz έως 52 Hz . H κλίμακα συχνότητας είναι 3 Hz/div και

η κλίμακα ρυθμισμένης ισχύος είναι 100 kW/div .

Το σχήμα 7.9 δείχνει μια μεταβολή της συχνότητας από 52 σε 48 Hz . Η πρώτη καμπύλη

είναι η βηματική απόκριση συχνότητας και η δεύτερη είναι η ρυθμισμένη ισχύς στο μετατροπέα

. Ο μετατροπέας αυξάνει τη μεταφορά ισχύος , κάτι που έχει ως αποτέλεσμα μια ελαττωμένη

ταχύτητα για τη σύγχρονη μηχανή . Αφού η αδράνεια της μηχανής έχει μια σταθερά χρόνου

αδράνειας των 3.3 [s] , η ταχύτητα της μεταβολής θα είναι της ίδιας τάξης . Η μεταφορά ισχύος

του μετατροπέα περιορίζεται στην κατεύθυνση από τη σύγχρονη γεννήτρια , ώστε να εμποδιστεί

η τροφοδοσία ισχύος από το μετατροπέα προς τη σύγχρονη γεννήτρια , κατά τη διάρκεια της

αύξησης της ταχύτητας .

Σχήμα 7.9 . Βήμα συχνότητας από 52 σε 48 Hz . Η κλίμακα συχνότητας είναι 3 Hz/div και η

κλίμακα ρυθμισμένης ισχύος είναι 100kW/div .

ΒΗΜΑΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ

75

Στόχος της δοκιμής είναι να δειχθεί η απόκριση συχνότητας εξαιτίας μιας μεταβολής της

ισχύος στη σύγχρονη γεννήτρια .

76

Σχήμα 7.10 . Βήματα στην ισχύ της γεννήτριας . Η κλίμακα συχνότητας είναι 3 Hz/div και η

κλίμακα ρυθμισμένης ισχύος είναι 100kW/div .

Η πρώτη περίπτωση είναι μια μεταβολή φορτίου από 150 kW σε περίπου 1 MW και η

δεύτερη είναι μια πίσω – αλλαγή από περίπου 1 MW σε 150 kW . Η απόκλιση της συχνότητας

κατά τη διάρκεια της λειτουργίας είναι λιγότερο από 0.3 Hz . Η ράμπα ισχύος της μηχανής είναι

στη μέγιστη αναλογία της .

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕ ΔΙΚΤΥΟ ΧΩΡΙΣ ΔΙΚΙΑ ΤΟΥ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ενός VSC μετατροπέα είναι η ικανότητα που έχει να

τροφοδοτήσει με ισχύ ένα a.c. σύστημα χωρίς άλλη γεννήτρια . Ο μετατροπέας ελέγχει τη

συχνότητα και την a.c. τάση και συνεπώς λειτουργεί ως γεννήτρια με την ενεργό ισχύ που

παίρνει από τη d.c. γραμμή . Ο στόχος της δοκιμής είναι να εξακριβωθούν τα εξής :

- άναμμα του μετατροπέα με ή χωρίς a.c. βοηθητική ισχύ

- ταυτόχρονα χειροκίνητη και προστατευμένη μεταφορά της ροής ισχύος από έναν a.c.

τροφοδότη στο μετατροπέα

- συγχρονισμός και επανασύνδεση ενός a.c. τροφοδότη σε ένα d.c. σύστημα που τροφοδοτείται

από το μετατροπέα

- απόκριση σε σφάλματα στο a.c.σύστημα

Το διαμορφωμένο σύστημα φαίνεται στο σχήμα 7.11 .

77

Σχήμα 7.11 . Το σύστημα σε απομονωμένη λειτουργία .

Η διαδρομή των 10kV στον υποσταθμό του (Hn) κανονικά τροφοδοτείται από μια a.c.

γραμμή των 50 kV διάμεσου του μετασχηματιστή Τ2 . Ο HVDC μετατροπέας συνδέεται επίσης

με την ίδια διαδρομή . Η ροή ενεργού ισχύος μπορεί να είναι είτε προς είτε από αυτή τη

διαδρομή διαμέσου της d.c. γραμμής στο μετατροπέα στο (Gbrg) 10 km μακριά . Το φορτίο

κατά μήκος της a.c.γραμμής μπορεί να τροφοδοτηθεί από οποιονδήποτε σταθμό με το κλείσιμο

στο 3 ή το 13 . Τα διαθέσιμα φορτία στην απομονωμένη λειτουργία είναι περίπου 700 kVA στο

(Hn) και 1.5MW στο (Gbrg) .

Η δοκιμή που περιγράφεται παρακάτω πραγματοποιήθηκε στο (Hn) . Ύστερα από αυτές τις

δοκιμές η κατεύθυνση της ισχύος προσδιορίστηκε και το (Gbrg) λειτούργησε απομονωμένο ,

αλλά σε υψηλότερο φορτίο από το (Hn) .

78

ΑΝΑΜΜΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΜΕ Ή ΧΩΡΙΣ a.c. ΒΟΗΘΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥ

Η d.c. πλευρά αρχικά ενεργοποιείται από το (Gbrg) με το κλείσιμο του a.c. διακόπτη . Οι

διακόπτες κατά μήκος της d.c. γραμμής είναι κλειστοί , που σημαίνει πως ο μετατροπέας στο

(Hn) ενεργοποιείται από τη d.c. πλευρά . Ο μετατροπέας στο (Gbrg) είναι ξεμπλοκαρισμένος

κατά τον έλεγχο της d.c. τάσης . Ο μετατροπέας στο (Hn) είναι τώρα η μοναδική πηγή τάσης στο

σύστημα και συνεπώς μπορεί να καθορίσει ταυτόχρονα την a.c. τάση και τη συχνότητα . Αυτό

εξασφαλίζεται με τον εξοπλισμό ελέγχου του μετατροπέα ο οποίος παράγει μια τάση αναφοράς

για το PWM με ρυθμισμένη συχνότητα και πλάτος που πρέπει να έχει ονομαστική a.c. τάση

διαδρομής πάνω στους a.c.ακροδέκτες του σταθμού του μετατροπέα .

Σε πολλές εφαρμογές είναι σύνηθες να μην υπάρχει a.c. βοηθητική ισχύς στο σταθμό προτού

να ξεμπλοκάρει ο μετατροπέας , που σημαίνει πως ο μετατροπέας έχει να ξεκινήσει χωρίς

εξοπλισμό ψύξης , και αφού ο μετατροπέας έχει ξεκινήσει , τότε το σύστημα ψύξης της

βαλβίδας μπορεί να ξεκινήσει . Η μόνη βοηθητική ισχύς που απαιτείται για να ξεκινήσει ο

απομονωμένος σταθμός είναι η ισχύς στον εξοπλισμό ελέγχου . Ένα άλλο στοιχείο που πρέπει

να καθοριστεί από το μετατροπέα είναι ότι η τάση της a.c.διαδρομής μπορεί να γίνει ράμπα με

ομαλό τρόπο για να εμποδίσει μεταβατικές υπερτάσεις ή ρεύματα εισροής στους

μετασχηματιστές . Αυτή η δοκιμή έγινε σε μέγιστο φορτίο στο (Hn) .

79

Σχήμα 7.12 . Άναμμα ενός απομονωμένου δικτύου .

ΧΕΙΡΟΚΙΝΗΤΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΜΕΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΎΟΣ ΑΠΟ ΕΝΑΝ a.c. ΤΡΟΦΟΔΟΤΗ ΣΤΟ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

Το προαπαιτούμενο για αυτή τη δοκιμή ήταν πως το (Hn) τροφοδοτήθηκε από την d.c.

μεταφορά και το μετασχηματιστή Τ2 μαζί . Στην περίπτωση που ο μετασχηματιστής βγαίνει

εκτός λειτουργίας με το χέρι , η διαδοχή θα ξεκινήσει με αύξηση της ισχύος στη d.c. γραμμή ,

μέσω ρύθμισης της ισχύος ή του ρεύματος στον έλεγχο του μετατροπέα , μέχρι το ρεύμα στο

μετασχηματιστή να πλησιάσει το μηδέν . Ο διακόπτης του μετασχηματιστή (2) έχει ανοίξει και ο

μετατροπέας λειτουργεί μόνος τροφοδοτώντας το απομονωμένο φορτίο . Ο έλεγχος του

μετατροπέα έχει να μεταφέρει από έλεγχο ισχύος/ρεύματος σε έλεγχο a.c. τάσης . Στην

περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα λογικό σήμα για τη ρύθμιση μιας μεταφοράς

προς τον έλεγχο της a.c. τάσης . Η μεταφορά είναι αρκετά ομαλή , αφού υπάρχει μονάχα μια

ασήμαντη μεταβολή στη ροή ισχύος . Εντούτοις , η υπόθεση πως το a.c. σύστημα είναι

απομονωμένο είναι γενική και καλύπτει περιπτώσεις όπου η απομόνωση προκύπτει πολύ μακριά

από το μετατροπέα . Ένα κριτήριο μέσα στον εξοπλισμό ελέγχου έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για

τη ρύθμιση της μεταφοράς από τον έλεγχο του ρεύματος στον έλεγχο της a.c. τάσης . Στην

περίπτωση αυτή πρέπει να υπάρχει μια μικρή διαταραχή στη διαδρομή της a.c. τάσης που

χρησιμοποιείται για να υποθέσουμε το γεγονός ότι το σύστημα είναι απομονωμένο .

80

Σχήμα 7.13 . Μεταφορά από ενεργό σε παθητικό δίκτυο . Εξωτερική ρύθμιση της μεταφοράς για έλεγχο a.c. τάσης .

Σχήμα 7.14 . Μεταφορά από ενεργό σε παθητικό δίκτυο . Αυτόματη ρύθμιση της μεταφοράς για

έλεγχο a.c. τάσης .

Με το ίδιο προαπαιτούμενο όπως παραπάνω , αλλά η ροή ισχύος στο μετατροπέα είναι

χαμηλή . Αν μια προστασία σταματήσει το διακόπτη του μετασχηματιστή , η ροή ισχύος πρέπει

81

να μεταφερθεί από το μετατροπέα . Αυτό σημαίνει ότι θα έχουμε μια πρόσκαιρη πτώση τάσης

στην a.c. διαδρομή μέχρις ότου η ροή ισχύος στη d.c. γραμμή έχει αυξηθεί τόσο ώστε το προ

σφάλματος επίπεδο αποκαθίσταται στην a.c. διαδρομή . Η φυσιολογική τάση της a.c. διαδρομής

θα αποκατασταθεί .

Σχήμα 7.15 . Προστατευμένη μεταφορά από ενεργό σε παθητικό δίκτυο . Εξωτερική ρύθμιση

της μεταφοράς για έλεγχο a.c. τάσης .

Η δοκιμή δείχνει πως ο μετατροπέας μπορεί , με ασήμαντα μεταβατικά , να αναλάβει την

απαιτούμενη παροχή ισχύος σε ένα a.c. δίκτυο αν όλες οι άλλες γεννήτριες έχουν σταματήσει .

ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΣΗ ΕΝΟΣ a.c. ΤΡΟΦΟΔΟΤΗ ΣΕ ΕΝΑ a.c. ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΟΥ ΤΡΟΦΟΔΟΤΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ

Ο μετατροπέας τροφοδοτεί το απομονωμένο a.c. σύστημα και ο τροφοδότης του

μετασχηματιστή είναι έτοιμος να συνδεθεί ξανά . Για να επιτραπεί αυτή η λειτουργία , η τάση

που παράγεται από το μετατροπέα και η τάση στους ακροδέκτες του μετασχηματιστή πρέπει να

συγχρονιστούν . Αυτό μπορεί να γίνει μεταβάλλοντας τη συχνότητα αναφοράς για το

μετατροπέα . Όταν οι δυο τάσεις έχουν συγχρονιστεί ο διακόπτης (2) του μετασχηματιστή

82

μπορεί να κλείσει . Όταν ο μετασχηματιστής και ο μετατροπέας έχουν συνδεθεί στην ίδια

διαδρομή , ο μετατροπέας δε μπορεί πλέον να καθορίσει μόνος του την τάση της a.c. διαδρομής

και συνεπώς θα επιστρέψει στον κανονικό έλεγχο ισχύος / ρεύματος . Αυτή η διαδοχή

ρυθμίζεται χειροκίνητα και είναι παρόμοια με το συγχρονισμό και τη σύνδεση μιας a.c.

γεννήτριας . Όλη η απαιτούμενη ισχύς για το a.c. σύστημα εφοδιάζεται από το μετατροπέα

προτού συνδεθεί ο μετασχηματιστής , συνεπώς η μεταφορά είναι πολύ ομαλή .

ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΕΝΑ ΠΑΘΗΤΙΚΟ a.c. ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΠΟΥ ΤΡΟΦΟΔΟΤΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΕΝΑΝ VSC

Ένας VSC μπορεί να θεωρηθεί σα μια 3φασική πηγή τάσης που έχει την ικανότητα να

μεταβάλλει την 3φασική τάση εξόδου γρήγορα και ανεξάρτητα . Η συμπεριφορά του a.c.

συστήματος διανομής εξαρτάται εξ’ολοκλήρου από τη στρατηγική έλεγχου του VSC .

(Α) . ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΥΠΕΡΡΕΥΜΑΤΩΝ

Σε ένα παθητικό δίκτυο η τάση της a.c. διαδρομής είναι ανάλογη με το ρεύμα που διαχέεται

στο σύστημα από το μετατροπέα . Η ρύθμιση του ρεύματος στο μετατροπέα παράγεται από τον

έλεγχο της a.c. τάσης . Στην περίπτωση σφάλματος στο a.c. σύστημα η εμπέδηση μειώνεται και

συνεπώς υπάρχει πτώση της a.c. τάσης . Ο έλεγχος της a.c. τάσης αυξάνει τη ρύθμιση του

ρεύματος , αλλά πρέπει να περιοριστεί στη μέγιστη ικανότητα σβησίματος της βαλβίδας . Ενώ

το σφάλμα διορθώνεται με το μπλοκάρισμα του εσφαλμένου τμήματος της γραμμής , η

εμπέδηση του συστήματος αυξάνει και η ρύθμιση ρεύματος στο μετατροπέα πρέπει να

ελαττωθεί , έτσι ώστε να μην έχουμε a.c.υπέρταση .

Κανονικά η διαθεσιμότητα μέγιστου ρεύματος για τον VSC μετατροπέα καθορίζεται από τις

απαιτήσεις για τη λειτουργία μόνιμης κατάστασης . Αυτό σημαίνει ότι η δυνατότητα

υπερφόρτωσης ρεύματος είναι πολύ περιορισμένη . Αν τα φορτία προστατεύονται από

προστασία υπερρευμάτων ή από ασφάλειες , το ρυθμισμένο ρεύμα για το φορτίο θα είναι αρκετό

συγκρινόμενο με τη ρύθμιση στο μετατροπέα , ώστε να υπάρχει ασφαλής απομόνωση του

τμήματος του συστήματος που περιέχει το σφάλμα . Στην περίπτωση ενός σχετικά μεγάλου

83

φορτίου σε σύγκριση με τη ρύθμιση στο μετατροπέα , συνιστάται η προστασία σύνθετης

αντίστασης .

Μια συνέπεια των παραπάνω είναι πως οι ρυθμίσεις για προστασία από υπερρεύματα και οι

ρυθμίσεις ασφαλειών μπορούν να επιλεγούν χαμηλότερες χωρίς να διακινδυνεύουμε των

ασφάλεια του συστήματος απέναντι σε εσφαλμένη λειτουργία της προστασίας . Η a.c. τάση

μπορεί επίσης να γίνει ράμπα για προστασία της εισροή ρευμάτων .

(Β) . ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟ a.c. ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΩΡΙΣ ΥΠΕΡΡΕΥΜΑΤΑ

Στις περιπτώσεις όπου το σφάλμα δεν προκαλεί καθόλου υπερρεύματα στο σύστημα , όπως

σφάλματα μεταξύ μιας φάσης και γης σε ένα γειωμένο σύστημα σύνθετης αντίστασης , ο VSC

μετατροπέας θα συνεχίσει να λειτουργεί με έλεγχο της τάσης της a.c. διαδρομής . Αυτό είναι

παρόμοιο με τη συμβατική διανομή δικτύων που τροφοδοτούνται από a.c. γεννήτριες ή δίκτυα

υψηλής ισχύος . Σε τέτοιες περιπτώσεις , τα συμβατικά συστήματα προστασίας από σφάλματα

γης μπορούν να χρησιμοποιηθούν με την υπόθεση μηδενικού ρεύματος ή τάσης ή και των δυο .

ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΕ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΕ a.c. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Η βασική απόκριση του μετατροπέα σε ένα a.c. σφάλμα που έχει σα συνέπεια χαμηλή τάση

στην a.c. διαδρομή , είναι ότι ο μετατροπέας αυξάνει το ρεύμα εξόδου μέχρι το όριο του

ρεύματος για τη βαλβίδα . Στη διάρκεια αυτή η εσφαλμένη θέση θα εξεταστεί μέσω μιας

προστασίας , υπερρεύματος ή σύνθετης αντίστασης . Η προστασία θα μπλοκάρει τον a.c.

διακόπτη και στο πρώτο πέρασμα του ρεύματος στο μηδέν το εσφαλμένο μέρος αποσυνδέεται

και ο μετατροπέας πρέπει ταχύτατα να ελαττώσει το ρεύμα προς αποφυγήν a.c. υπερτάσεων

όταν το σύστημα επανέλθει . Η χειρότερη κατάσταση για την περίπτωση αυτή δοκιμάστηκε στη

VSC εγκατάσταση στο (Hn) , δηλαδή ένα a.c. σφάλμα όταν ο μετατροπέας τροφοδοτεί ένα

ελαφρύ φορτίο .

Η πρώτη περίπτωση σφάλματος ήταν ένα 3φασικό βραχυκύκλωμα σε μια εξερχόμενη a.c.

γραμμή . Ο μετατροπέας τροφοδοτεί το απομονωμένο a.c. σύστημα και τότε η γραμμή του

84

διακόπτη (4) κλείνει με ένα 3φασικό σφάλμα στην a.c. γραμμή . Η a.c. τάση πέφτει και το ρεύμα

μετατροπέα αυξάνει μέχρι το όριό του και τότε η προστασία λειτουργεί και διορθώνει το

σφάλμα . Όταν το σφάλμα έχει διορθωθεί ο μετατροπέας περιορίζει την τάση της a.c. διαδρομής

κατά τη διάρκεια της επαναφοράς του συστήματος μέσω μιας ταχύτατης ελάττωσης του

ρεύματος . Το σφάλμα εξετάστηκε από μια στάνταρ εφεδρεία υπερρεύματος .

Ένα παρόμοιο τεστ πραγματοποιήθηκε με το σφάλμα να εφαρμόζεται αντίθετα στην πλευρά

των 50 kV του μετασχηματιστή Τ2 . Ο μετατροπέας τροφοδοτούσε το απομονωμένο a.c.

σύστημα και τότε ο a.c. διακόπτης (2) έκλεισε .

85

Σχήμα 7.16 . Σφάλμα a.c. συστήματος . Διόρθωση σφάλματος με προστασία υπερρεύματος .

Στην περίπτωση αυτή μια προστασία εμπέδησης εγκαταστάθηκε στην 10kV πλευρά του

μετασχηματιστή . Αυτό σημαίνει ότι η προστασία πρέπει να είναι επιλεκτική , να μη λειτουργεί

για εισροή ρεύματος αλλά να λειτουργεί για σχετικά χαμηλό ρεύμα σφάλματος . Το ρεύμα

σφάλματος και το διορθωμένο σφάλμα είναι παρόμοια με τα παρακάτω .

86

Σχήμα 7.17 . Σφάλμα a.c. συστήματος . Διόρθωση σφάλματος με προστασία εμπέδησης .

7.8 ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Για πρώτη φορά μια μεταφορά HVDC βασισμένη σε VSC δομήθηκε , δοκιμάστηκε και

λειτούργησε . Η πείρα από τις δοκιμές με συγχρόνως ενεργά και απομονωμένα a.c.συστήματα

έδειξε ότι οι μετατροπείς με υψηλής συχνότητας PWM είναι εφικτό να χρησιμοποιηθούν για

μικρής κλίμακας HVDC . Ο VSC μετατροπέας εφοδιάζει επίσης το a.c. σύστημα με χρήσιμες

ιδιότητες .

Ο μετατροπέας δεν έχει ανάγκη πολλούς παράγοντες σε σύγκριση με το κλασικό HVDC . Δε

χρειάζεται ούτε μετασχηματιστή , μόνο αντιδραστήρες φάσης και ρυθμισμένα υψηλοπερατά

φίλτρα . Παρόλα αυτά , η ενεργός και η άεργος ισχύς μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα και

τρομερά γρήγορα . Η ισχύς βραχυκυκλώματος που παραλαμβάνει το δίκτυο δεν είναι σημαντική

. Είναι δυνατή η λειτουργία ακόμα και αν το a.c. δίκτυο παραλαβής δεν έχει περιστροφική

μηχανή .

Με την ταχύτατη ανάπτυξη των ημιαγωγών και του ελέγχου , μπορεί να προβλεφτεί ότι το

HVDC που χρησιμοποιεί VSC μετατροπείς θα γίνει σύντομα μια πολύ ενδιαφέρουσα νέα

επιλογή για τη μεταφορά της ισχύος .

87

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΠΛΑΤΟΥΣ ΤΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Οι διακόπτες στο μετατροπέα πηγής τάσης (δες σχήμα 8.1) μπορούν να είναι είτε ανοιχτοί

είτε κλειστοί όπως απαιτείται . Στην απλούστερη προσέγγιση , ο πάνω διακόπτης είναι ανοιχτός .

Αν ανοίγει και κλείνει μόνο μια φορά σε κάθε κύκλο , προκύπτει μια τετραγωνική κυματομορφή

. Εντούτοις , αν ανοίγει αρκετές φορές σε έναν κύκλο , μπορούμε να πετύχουμε μια βελτιωμένη

μορφή αρμονικής .

Η μέθοδος PWM χαρακτηρίζεται από την πραγματοποίηση περισσότερων της μιας εναύσεων

και σβέσεων ανά διακοπτικό στοιχείο στη διάρκεια ενός κύκλου . Μέσω των ελεγχόμενων

εναύσεων και σβέσεων των διακοπτικών στοιχείων είναι δυνατός ο έλεγχος του εύρους των

παλμών της τάσης στην έξοδο του ανορθωτή .

Σχήμα 8.1 . Απλός μετατροπέας πηγής τάσης – μια φάση

Στις περισσότερες ευθείες εφαρμογές , η παραγωγή της επιθυμητής τάσης εξόδου μπορεί να

επιτευχθεί με σύγκριση δύο σημάτων ελέγχου : της επιθυμητής κυματομορφής αναφοράς

(ημιτονοειδές σήμα συχνότητας ίσης με την ονομαστική) με ένα τριγωνικό υψηλής συχνότητας

88

«μεταφορικό» κύμα όπως απεικονίζεται σχηματικά στο σχήμα 8.2 . Ανάλογα με τον καιρό το

σήμα τάσης είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από την κυματομορφή μεταφοράς , είτε η θετική είτε

η αρνητική τάση της d.c.διαδρομής εφαρμόζεται στην έξοδο . Να σημειωθεί ότι στην περίοδο

ενός τριγωνικού κύματος , η μέση τάση που εφαρμόζεται στο φορτίο είναι ανάλογη με το πλάτος

του σήματος (το υποθέτουμε σταθερό) κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου . Η προκύπτουσα

«κομμένη» τετραγωνική κυματομορφή περιλαμβάνει ένα αντίγραφο της επιθυμητής

κυματομορφής σε όρους χαμηλής συχνότητας , με τους όρους υψηλότερης συχνότητας να

βρίσκονται σε συχνότητες κοντά στη συχνότητα μεταφοράς . Να σημειωθεί ότι η rms τιμή της

κυματομορφής της a.c. τάσης είναι ακόμα ίση με την τάση της d.c. διαδρομής , και έτσι η

συνολική παραμόρφωση αρμονικών δεν επηρεάζεται από την PWM . Οι όροι των αρμονικών

απλώς μετατοπίζονται στην κλίμακα υψηλότερης συχνότητας και αυτόματα φιλτράρονται λόγω

των επαγωγών στο a.c.σύστημα .

Όταν το ρυθμισμένο σήμα είναι ένα ημίτονο με πλάτος Am και το πλάτος της τριγωνικής

μεταφοράς είναι Ac , η αναλογία m = Am/Ac είναι γνωστή σαν ο δείκτης της ρύθμισης . Να

σημειωθεί ότι με τον έλεγχο του δείκτη ρύθμισης γίνεται επίσης έλεγχος του πλάτους της

εφαρμοζόμενης τάσης εξόδου . Με μια επαρκώς υψηλή συχνότητα μεταφοράς (σχήμα 8.3 για

fc/fm = 21 και t = L/R = T/3 , Τ = περίοδος θεμελιώδους) , οι όροι υψηλής συχνότητας δε

διαδίδονται σημαντικά στο a.c. δίκτυο (ή φορτίο) λόγω της παρουσίας επαγωγικών στοιχείων .

Εντούτοις , μια υψηλότερη συχνότητα μεταφοράς επιφέρει ένα μεγάλο αριθμό διακοπών ανά

κύκλο και έτσι μια αυξημένη απώλεια ισχύος. Τυπικές συχνότητες διακοπτών στην κλίμακα 2-

15 kHz θεωρούνται επαρκείς για εφαρμογές συστημάτων ισχύος . Επίσης σε 3φασικά

συστήματα είναι καλό να χρησιμοποιείται η fc/fm = 3k , (kεN) έτσι ώστε και οι 3 κυματομορφές

να είναι συμμετρικές .

89

90

Σχήμα 8.2 . Αρχή του PWM

Σχήμα 8.3 . SPWM με fc/fm = 48 , L/R = T/3

91

Σημειώστε πως η διαδικασία λειτουργεί καλά για m<=1 . Για m>1 , υπάρχουν περίοδοι του

τριγωνικού κύματος στις οποίες δεν τέμνονται η μεταφορά και το σήμα όπως στο σχήμα 8.4 .

Εντούτοις , ένα κύριο ποσό από αυτήν την «υπερ-ρύθμιση» συχνά επιτρέπεται με στόχο μια

υψηλότερη a.c. τάση παρόλο που το φασματικό περιεχόμενο της τάσης αποδίδεται κάπως πιο

φτωχό .

Να σημειωθεί ότι με περιττή αναλογία fc/fm , η κυματομορφή είναι αντισυμμετρική γύρω

από έναν κύκλο 360 μοιρών . Με ζυγό αριθμό, υπάρχουν αρμονικές της ζυγής ρύθμισης , αλλά

συγκεκριμένα επίσης ένας μικρός d.c. όρος . Συνεπώς , δε συνιστάται ζυγός αριθμός για

αντιστροφείς μιας φάσης , ειδικά για χαμηλές αναλογίες fc/fm .

Σχήμα 8.4 . Υπερ – ρύθμιση : m = 1.3

SPWM SPECTRA

92

Παρόλο που η SPWM κυματομορφή έχει αρμονικές διαφόρων τάξεων στην κυματομορφή

φασικής τάσης , οι επικρατέστερες εκτός της θεμελιώδους είναι τάξης n και n +-2 , όπου n =

fc/fm . Αυτό είναι φανερό για το φάσμα για n = 15 και m = 0.8 που φαίνεται στο σχήμα 8.5 .

Σημειώστε πως αν οι άλλες 2 φάσεις παράγονται απαράλλαχτα αλλά με 120 μοίρες διαφορά

φάσης , η τάση γραμμής – γραμμής δε θα έχει καθόλου τριπλές αρμονικές . Συνιστάται να

επιλέγεται fc/fm = 3k , (kεN) , αφού τότε η κυρίαρχη αρμονική θα εξαλειφθεί . Είναι φανερό

από το σχήμα 8.5b , ότι η κυρίαρχη 15η αρμονική στο σχήμα 8.5a εξαλείφεται αποτελεσματικά

στη γραμμή τάσης. Η επιλογή των πολλαπλών 3 είναι επίσης κατάλληλη γιατί τότε η ίδια

τριγωνική κυματομορφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σα μεταφορέας και στις 3 φάσεις ,

επιφέροντας κάποια απλοποίηση .

Φαίνεται εύκολα από την (pwm(θ))^2 = E^2 όπου Ε είναι η τάση της d.c. διαδρομής , ότι η

rms τιμή του σήματος τάσης εξόδου είναι ανεπηρέαστο από την PWM διαδικασία . Αυτό ισχύει

απόλυτα για τη φασική τάση καθώς οι αρμονικές 3ης τάξης ακυρώνονται στην τάση γραμμής .

Εντούτοις οι προβληματικές αρμονικές μετατοπίζονται σε υψηλότερες τάξεις , κάνοντας έτσι το

φιλτράρισμα πολύ πιο εύκολο . Συχνά , το φιλτράρισμα μεταφέρεται διαμέσου της φυσικής

υψηλής εμπέδησης χαρακτηριστικής του φορτίου .

93

Σχήμα 8.5 . SPWM φάσμα αρμονικών : n = 15 , m = 0.8

ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΗ ΑΠΟΚΟΠΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Να σημειωθεί ότι στη μέθοδο SPWM που αναπτύχθηκε παραπάνω , απαιτείται ένας μεγάλος

αριθμός από ανοίγματα και κλεισίματα των διακοπτών , με τις σχετικές απώλειες διακοπτών .

Με τη μέθοδο της Επιλεκτικής Αποκοπής Αρμονικών , μόνο οι επιλεγμένες αρμονικές

αποκόπτονται με το μικρότερο αριθμό κινήσεων των διακοπτών . Εντούτοις αυτή η μέθοδος

είναι δύσκολο να εφαρμοστεί στη γραμμή εξαιτίας του υπολογισμού και των απαιτήσεων

μνήμης . Για μια κυματομορφή PWM δυο επιπέδων με περιττές και μισού κύματος συμμετρίες

και n κοψίματα ανά τεταρτοκύκλιο όπως φαίνεται στο σχήμα 8.4 , η κορυφή του μέτρου των

όρων των αρμονικών λαμβάνοντας υπόψιν και τη θεμελιώδη , δίνεται από τις εξίσώσεις 8.1 :

Σχέσεις 8.1

94

Εδώ hi είναι το μέτρο της i αρμονικής και αj είναι η j γωνία της πρώτης μεταβολής διακόπτη . Οι

ζυγές αρμονικές δεν παρουσιάζονται λόγω της μισού – κύματος συμμετρίας τους .

Τα n κοψίματα της κυματομορφής έχουν n βαθμούς ελευθερίας . Αρκετές μέθοδοι ελέγχου

είναι έτσι δυνατές . Για παράδειγμα , n επιλεγμένες αρμονικές μπορούν να αποκοπούν . Μια

άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται εδώ είναι η αποκοπή n-1 επιλεγμένων αρμονικών και η

χρήση των βαθμών ελευθερίας που απομένουν για τον έλεγχο της a.c. τάσης θεμελιώδους

συχνότητας . Για να βρεθούν τα α που απαιτούνται εδώ , είναι αρκετό να βάλουμε τα αντίστοιχα

h στις παραπάνω εξισώσεις στις επιθυμητές τιμές (0 για n-1 αποκοπές αρμονικών και το

επιθυμητό ανά μονάδα a.c. μέτρο για τη θεμελιώδη) και να λύσουμε ως προς α .

Σχήμα 8.6 . PWM κυματομορφή δυο επιπέδων με περιττή και μισού κύματος συμμετρία

Οι εξίσώσεις 8.1 μπορούν να λυθούν εύκολα με την εύρεση των συντελεστών Fourier της

κυματομορφής που φαίνεται στο σχήμα 8.6 . Γενικά , για μια περιοδική κυματομορφή με

περίοδο 2π , τα συνημίτονα Fourier και οι συντελεστές δίνονται από τις σχέσεις 8.2 :

95

Σχέση 8.2

Λόγω της συμμετρίας ημικυκλίου της κυματομορφής του σχήματος 8.4 , υπάρχουν μονάχα οι

αρμονικές περιττής τάξης . Επίσης , είναι εύκολο να δούμε ότι οι συντελεστές συνημιτόνων

Fourier εξαφανίζονται με την επιλογή χρήσης αξόνων συντεταγμένων . Χρησιμοποιώντας τη

συμμετρία τεταρτοκυκλίου , οι συντελεστές ημιτόνων Fourier γίνονται :

Σχέση 8.3

Αντικαθιστώντας την pwm κυματομορφή δυο τιμών για f(θ) , προκύπτει (δες σχήμα 8.4) :

Σχέση 8.4

96

Το παρακάτω παράδειγμα παρουσιάζει τη χρήση τριών «chops» ανά τεταρτοκύκλιο που

επιτρέπει 3 βαθμούς ελευθερίας . Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μέθοδο για την

αποκοπή δυο αρμονικών και για τον έλεγχο του μέτρου της θεμελιώδους σε κάθε επιθυμητή

τιμή:

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ :

Η Επιλεκτική Αποκοπή Αρμονικών εφαρμόζεται με σκοπό να ελεγχθεί ο θεμελιώδης όρος

της τάσης στα 50V (rms) και να αποκοπούν η 3η και η 5η αρμονική . Η πηγή τάσης είναι 100V .

Υπολογίζονται οι αναγκαίες γωνίες κοψίματος .

Μιας και θέλουμε να πετύχουμε 3 πράγματα , χρειαζόμαστε 3 «chops» . Το μέτρο της

θεμελιώδους , της 3ης και της 5ης αρμονικής δίνονται από :

Σχέσεις

8.5

Απαιτούμε :

97

Αυτό δίνει τρεις εξισώσεις με τρεις αγνώστους α1 , α2 , α3 . Με αριθμητική επίλυση παίρνουμε :

Σχήμα 8.7 .

98

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΔΙΠΛΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ (DFIG) ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στη μελέτη αυτή θα ασχοληθούμε με μηχανισμούς μεταβλητής ταχύτητας που

χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα δίκτυο ισχύος , με βάση μια

επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας . Καταρχήν εισάγεται ένα μαθηματικό πρότυπο της

μηχανής σε κατάλληλο d-q πλαίσιο αναφοράς για την έρευνα της προσομοίωσης . Για τον

έλεγχο της ροής ισχύος μεταξύ του στάτη της doubly-fed επαγωγικής γεννήτριας (DFIG) και του

δικτύου ισχύος , φτιάχνεται ένας κανόνας ελέγχου , ο οποίος χρησιμοποιεί δυο είδη ελεγκτών :

PI και RST . Οι αντίστοιχες αποδόσεις συγκρίνονται σε όρους ισχύος για ονομαστική

κατάσταση , απόκριση σε απότομες μεταβολές στην ταχύτητα (ευαισθησία σε διαταραχές) και

σθεναρότητα σε μεταβολές των παραμέτρων της μηχανής . Τέλος , εξετάζεται η μεταβατική

απόκριση του συστήματος για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων του PI ελεγκτή .

ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ Vds , Vqs , Vdr , Vqr : τάσεις δρομέα και στάτη δυο φάσεων

Ψds , Ψqs , Ψdr , Ψqr : ροές δρομέα και στάτη δυο φάσεων

Ids , Iqs , Idr , Iqr : ρεύματα δρομέα και στάτη δυο φάσεων

θs , θr : φάση ροής στάτη και μηχανική φάση δρομέα

Ω : μηχανική ταχύτητα

Γm , Γe : ροπή εκκίνησης και ηλεκτρομαγνητική ροπή

P : αριθμός ζευγών πόλων

Rs , Rr : ανά φάση αντίσταση στάτη και δρομέα

Μ : μαγνητική αυτεπαγωγή

Ls , Lr : συνολική κυκλική αυτεπαγωγή στάτη και δρομέα

g : ολίσθηση γεννήτριας

J , f : αδράνεια και τριβή

p : τελεστής Laplace

99

9.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για να ικανοποιηθούν οι ανάγκες σε ισχύ , συνυπολογίζοντας οικονομικούς και

περιβαλλοντικούς παράγοντες , η μετατροπή αιολικής ενέργειας κερδίζει συνεχώς έδαφος σα μια

κατάλληλη πηγή ανανεώσιμης ενέργειας . Η ηλεκτρομαγνητική μετατροπή συνήθως

επιτυγχάνεται με επαγωγικές μηχανές ή σύγχρονες και μόνιμης μαγνήτισης γεννήτριες . Οι

επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού χρησιμοποιούνται πλατιά λόγω χαμηλού

κόστους , αξιοπιστίας , κατασκευής και απλότητας στη συντήρηση . Αλλά , όταν μια τέτοια

γεννήτρια συνδέεται απευθείας σε ένα δίκτυο ισχύος , που επιβάλλει τη συχνότητά του , η

ταχύτητα πρέπει να ρυθμιστεί σε μια σταθερή τιμή μέσω ενός μηχανικού μηχανισμού στην

ανεμογεννήτρια . Τότε , για υψηλές τιμές της ταχύτητας του ανέμου , δεν επιτυγχάνεται πλήρης

κάλυψη της θεωρητικής ισχύος . Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα , ένας μετατροπέας , που

επιλέγεται για πλήρη κάλυψη της ανταλλαγής ισχύος , τοποθετείται ανάμεσα στο στάτη και στο

δίκτυο . Για να γίνει δυνατή η λειτουργία σε μεταβλητή ταχύτητα με ένα μετατροπέα ισχύος

χαμηλής αναλογίας , η DFIG μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως φαίνεται στο σχήμα 9.1 . Ο στάτης

είναι απευθείας συνδεδεμένος με το δίκτυο και ο δρομέας τροφοδοτείται για να μαγνητίζει τη

μηχανή .

Ο έλεγχος της ηλεκτρικής ισχύος που ανταλλάσσεται ανάμεσα στο στάτη του DFIG και στο

δίκτυο ισχύος γίνεται με τον έλεγχο ανεξάρτητα της ροπής ( και συνεπώς της ενεργού ισχύος )

και της άεργου ισχύος . Αρκετές μελέτες γίνονται σ’αυτήν την κατεύθυνση , όπου

χρησιμοποιούνται κυκλο-μετατροπείς ως μετατροπείς και κλασικοί αναλογικοί-ολοκληρωτικοί

(PI) ελεγκτές . Στην περίπτωσή μας , αφού φτιαχτεί ένα πρότυπο της DFIG και επιλεγεί το

κατάλληλο d-q πλαίσιο αναφοράς , η ενεργός και η άεργος ισχύς ελέγχονται με χρήση

αντίστοιχα PI και RST ελεγκτή βασισμένο στη θεωρία τοποθέτησης των πόλων . Οι αποδόσεις

τους συγκρίνονται για ονομαστική κατάσταση , ευαισθησίας στις διαταραχές και σθεναρότητα

σε μεταβολές των παραμέτρων της μηχανής .

100

Σχήμα 9.1 . Η επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας

9.2 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΗΣ DFIG

Για μια doubly – fed επαγωγική μηχανή , η εφαρμογή του μετασχηματισμού Concordia και Park

στο κλασικό a , b , c πρότυπο , δίνει ένα δυναμικό πρότυπο σε d-q πλαίσιο αναφοράς ως

ακολουθεί :

101

9.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ DFIG 1. ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Καθώς συνδέεται η DFIG με το δίκτυο , η σύνδεση πρέπει να γίνει σε 3 βήματα , τα οποία

παρουσιάζονται παρακάτω . Το πρώτο βήμα είναι ο έλεγχος (χρήση ελεγκτή) των τάσεων στάτη

με τις τάσεις δικτύου σαν αναφορά (σχήμα 9.2). Το δεύτερο βήμα είναι η σύνδεση του στάτη με

το δίκτυο . Στο βαθμό που οι τάσεις των δυο έχουν συγχρονιστεί , η σύνδεση μπορεί να γίνει

102

χωρίς προβλήματα . Όταν η σύνδεση επιτευχθεί , το τρίτο βήμα είναι ο έλεγχος της ισχύος

(ελεγκτής) ανάμεσα στο στάτη και στο δίκτυο (σχήμα 9.3).

Σχήμα 9.2 . Πρώτο βήμα της σύνδεσης της DFIG στο δίκτυο

Σχήμα 9.3 . Τρίτο βήμα στη σύνδεση του DFIG με το δίκτυο

Για δεδομένη ανεμογεννήτρια , αρκετές σχέσεις υπάρχουν ανάμεσα στην ταχύτητα του

ανέμου , την περιστροφική ταχύτητα της γεννήτριας και τη διαθέσιμη μηχανική ισχύ (σχήμα 9.4)

. Αν η ταχύτητα του ανέμου έχει μετρηθεί και τα μηχανικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας

είναι γνωστά , είναι δυνατό να συμπεράνουμε σε πραγματικό χρόνο τη θεωρητική ηλεκτρική

103

ισχύ που μπορεί να δώσει η γεννήτρια . Τότε είναι δυνατό να ελεγχθεί η γεννήτρια με χρήση της

ισχύος σαν αναφορά .

Σχήμα 9.4 . Παράδειγμα για τις καμπύλες ισχύος της ανεμογεννήτριας

2. ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΉΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Για να πετύχουμε διανυσματικό έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος του στάτη , όπως

φαίνεται στο σχήμα 9.3 , επιλέγουμε ένα d-q πλαίσιο αναφοράς σε συγχρονισμό με τη ροή στάτη

(σχήμα 9.5) . Θέτοντας το διάνυσμα της ροής στάτη σε ευθυγράμμιση με το d-άξονα , έχουμε :

Η ηλεκτρομαγνητική ροπή και συνεπώς η ενεργός ισχύς θα εξαρτάται μόνο από την q-

συνιστώσα του ρεύματος δρομέα . Θεωρώντας αμελητέα την ανά φάση αντίσταση του στάτη Rs

104

(αυτό ισχύει για τις μέσης ισχύος μηχανές που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αιολικής

ενέργειας ) , η τάση στάτη για τη φάση νούμερο n της DFIG γράφεται ως εξής :

Το διάνυσμα της τάσης στάτη συνεπώς προπορεύεται κατά ένα τεταρτημόριο του διανύσματος

ροής του στάτη . Έτσι έχουμε :

Για να περιγραφούν οι γωνίες μετασχηματισμού των μεταβλητών στάτη και δρομέα , πρέπει να

μετρηθούν ο παλμός στάτη και η μηχανική ταχύτητα (σχήμα 9.6) . Η τοποθέτηση των

διανυσμάτων και των γωνιών μετασχηματισμού προκύπτει από αυτές τις μετρήσεις όπως

παρουσιάζεται στο σχήμα 9.5 . Οι γωνίες θ1 και θ2 χρησιμοποιούνται στη μήτρα Park για τη

μετατροπή των στρεφόμενων μεταβλητών δυο φάσεων του στάτη και του δρομέα σε

καθορισμένες μεταβλητές δυο φάσεων .

Σχήμα 9.5 . Τοποθέτηση των διανυσμάτων και των γωνιών μετασχηματισμού

105

Σχήμα 9.6 . Καθορισμός των γωνιών μετασχηματισμού

Με την επιλογή αυτού του πλαισίου αναφοράς , οι τάσεις και οι ροές στάτη μπορούν να

γραφούν ως εξής :

Η ενεργός και η άεργος ισχύς του στάτη , οι τάσεις και οι ροές του δρομέα μπορούν να γραφούν

σαν συναρτήσεις των ρευμάτων δρομέα ως εξής :

106

Στη μόνιμη κατάσταση , οι δεύτεροι όροι των δυο εξισώσεων στις (3.8) είναι μηδέν . Οι τρίτοι

όροι , που αποτελούν τους όρους διαγώνιας σύνδεσης , μπορούν να θεωρηθούν αμελητέοι

εξαιτίας της μικρής τους επίδρασης. Γνωρίζοντας τις σχέσεις (3.6) και (3.8) , είναι δυνατό να

σχεδιαστούν ελεγκτές και να συγκροτηθεί το συνολικό διάγραμμα block του συστήματος που

ελέγχουμε (σχήμα 9.7).

107

Σχήμα 9.7 . Έλεγχος ισχύος του DFIG

Τα μπλοκ RP και RQ αντιπροσωπεύουν ελεγκτές ενεργού και άεργου ισχύος . Ο σκοπός των

ελεγκτών είναι να δώσουν υψηλές δυναμικές αποκρίσεις σε όρους κατάστασης αναφοράς ,

ευαισθησίας σε διαταραχές και αντοχής στις μεταβολές των παραμέτρων της μηχανής . Για να

γίνει καλύτερα κατανοητό το θέμα , μελετώνται και συγκρίνονται δυο τύποι ελεγκτών : ο PI

ελεγκτής και ο RST ελεγκτής που βασίζεται στη θεωρία τοποθέτησης των πόλων . Υποθέτοντας

πως οι τρίτοι όροι των (3.8) , που αναπαρίστανται με διακεκομμένες γραμμές , αμελούνται , τα

ρεύματα δρομέα συνδέονται ευθέως με την ενεργό και την άεργο ισχύ με σταθερούς όρους .

Τότε οι εσωτερικοί βρόχοι ελέγχου του ρεύματος δεν είναι απαραίτητοι . Ο σχεδιασμός του PI

ελεγκτή επιτυγχάνεται με την κλασική μέθοδο της αναπλήρωσης πόλων και δε θα εξεταστεί σε

αυτή τη μελέτη . Ο σχεδιασμός του RST ελεγκτή αναλύεται παρακάτω .

3. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ RST ΕΛΕΓΚΤΗ Το διάγραμμα block ενός συστήματος με τον RST ελεγκτή του παρουσιάζεται στο σχήμα 9.8 .

108

Σχήμα 9.8 . Διάγραμμα block του RST ελεγκτή

Το σύστημα με συνάρτηση μεταφοράς Β/Α έχει Υref σαν αναφορά και διαταράσσεται με τη

μεταβλητή γ . R , S και T είναι πολυώνυμα τα οποία αποτελούν τον ελεγκτή . Στην περίπτωσή

μας έχουμε :

Όπου p είναι ο τελεστής Laplace .

Η συνάρτηση μεταφοράς του ελεγχόμενου συστήματος είναι :

Με την εξίσωση Besout , παίρνουμε :

Για να πετύχουμε καλή ακρίβεια προσαρμογής , επιλέγουμε έναν αυστηρά κατάλληλο ελεγκτή .

Έτσι , αν Α είναι ένα πολυώνυμο n τάξης (deg(A) = n) , έχουμε :

109

Για την περίπτωσή μας :

Για να βρεθούν οι συντελεστές των πολυωνύμων R και S , η μέθοδος τοποθέτησης των

πόλων είναι αποδεκτή με Tc ορίζοντα ελέγχου και Tf ορίζοντα φιλτραρίσματος . Έχουμε :

Όπου pc είναι ο πόλος του C και pf είναι ο πόλος του F . Ο πόλος pc πρέπει να επιταχύνει το

σύστημα και γενικά επιλέγεται τρεις με πέντε φορές μεγαλύτερος από τον πόλο του Α pa . Ο pf

γενικά επιλέγεται τρεις φορές μικρότερος από τον pc . Στην περίπτωσή μας :

Οι διαταραχές γενικά θεωρούνται σα σταθερά . Η μεταβλητή γ τότε μπορεί να παρασταθεί

από μια βηματική είσοδο . Για να λαμβάνουμε καλή αποκοπή διαταραχών , το θεώρημα τελικής

τιμής απαιτεί ο όρος (BS)/(AS + BR) να τείνει στο μηδέν :

110

Για να πετύχουμε ικανοποιητική σταθερότητα στη μόνιμη κατάσταση , πρέπει να είναι D(0)

διάφορο του μηδενός και να ισχύει η συνθήκη (3.15) . Η Bezout εξίσωση οδηγεί σε 4 εξισώσεις

με 4 άγνωστους όρους όπου οι συντελεστές του D συνδέονται με τους συντελεστές των

πολυωνύμων R και S μέσω της μήτρας Sylvester :

Για τον προσδιορισμό των συντελεστών του Τ , υποθέτουμε πως στη σταθερή κατάσταση το

Υ πρέπει να είναι ίσο με το Υref :

Ως γνωστόν , S(0) = 0 . Έτσι συμπεραίνουμε ότι Τ = R(0) . Για να διαχωρίσουμε τη ρύθμιση

και την κατάσταση αναφοράς , προσπαθούμε να κάνουμε τον όρο (BT)/(AS + BR) να εξαρτάται

μόνο από το C . Τότε θεωρούμε Τ = hF (όπου h είναι πραγματικός) και γράφουμε :

Καθώς είναι T = R(0) , συμπεραίνουμε ότι h = [R(0)]/[F(0)] .

111

9.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ (Α) . ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΕΛΕΓΚΤΏΝ Σε αυτό το μέρος , οι προσομοιώσεις μελετώνται με μια γεννήτρια των 13 KW συνδεδεμένη

με ένα δίκτυο 220V/50Hz . Οι παράμετροι της μηχανής είναι οι εξής :

Οι ελεγκτές θα δοκιμαστούν και θα συγκριθούν σε 3 διαφορετικές περιπτώσεις : ονομαστική

κατάσταση , ευαισθησία σε διαταραχές και σθεναρότητα στις μεταβολές των παραμέτρων .

1 . ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

Η μηχανή αρχικά τοποθετείται σε ιδανικές συνθήκες και οδηγείται σε 3500 rpm . Επιβάλουμε

μια βηματική ενεργό ισχύ των -5kw στα t = 3s και παρατηρούμε την απόκριση που λαμβάνουμε

αντίστοιχα με τον PI και τον RST ελεγκτή . Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα σχήματα 9.9

και 9.10 .

Σχήμα 9.9 : Απόκριση PI ελεγκτή στην επίδραση ενεργού ισχύος

112

Σχήμα 9.10 . Απόκριση RST ελεγκτή στην επίδραση ενεργού ισχύος

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι χρόνοι απόκρισης είναι περίπου ίσοι (περίπου 10 ms) . Η

επίδραση της βηματικής ενεργού ισχύος στην άεργο ισχύ , δείχνει πως οι όροι της διαγώνιας

σύνδεσης απορρίπτονται καλύτερα με έναν RST ελεγκτή παρά με έναν PI ελεγκτή . Το ίδιο

γίνεται και με μια βηματική άεργο ισχύ και οι αποκρίσεις που λαμβάνονται είναι ισοδύναμες .

2 . ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΣΕ ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ

Η γεννήτρια οδηγείται τώρα στα 3500 rpm με μια σταθερά αναφοράς ενεργού ισχύος των -5

kW και μια άεργο ισχύ αναφοράς που τίθεται στο μηδέν . Στα t = 3s , η ταχύτητα απότομα

μεταβάλλεται από 3500 σε 3100 rpm . Αυτό το αποτέλεσμα στην ταχύτητα μπορεί να συγκριθεί

με ένα μπουρίνι σε ένα πραγματικό σύστημα αιολικής ενέργειας . Η επίδραση της μεταβολής

αυτής της ταχύτητας στη συμπεριφορά της ισχύος που παράγεται φαίνεται στα σχήματα 9.11 και

9.12 για τους δυο ελεγκτές .

113

Σχήμα 9.11 . Απόκριση PI ελεγκτή στην επίδραση ταχύτητας

114

Σχήμα 9.12 . Απόκριση RST ελεγκτή στην επίδραση ταχύτητας

Αυτά τα αποτελέσματα επιτρέπουν να επιβεβαιωθεί πως ο RST ελεγκτής έχει καλύτερη

απόδοση από τον PI στην αποκοπή διαταραχών ταχύτητας . Σα συνέπεια , η μεταβολή της

ενεργού ισχύος είναι περίπου 80 τοις εκατό μικρότερη με τον RST ελεγκτή από τον PI . Ακόμη ,

βλέπουμε τις κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος στο δρομέα στο σχήμα 9.11 . Η

μεταβολή της συχνότητας σχετίζεται με φυσικό τρόπο με τη μεταβολή της ταχύτητας .

3 . ΣΘΕΝΑΡΟΤΗΤΑ ΣΕ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ

Για τη δοκιμή των 2 ελεγκτών , η αντίσταση του δρομέα Rr διπλασιάζεται (από 0.38 Ω σε

0.76 Ω) . Η γεννήτρια οδηγείται στις 3500 rpm και επιβάλλουμε μια ενεργό ισχύ των -5kW . Στα

σχήματα 9.13 και 9.14 φαίνεται η επίδραση της μεταβολής της αντίστασης δρομέα στην

απόκριση της γεννήτριας για τους δυο ελεγκτές .

Σχήμα 9.13 . Απόκριση PI ελεγκτή στη μεταβολή της αντίστασης δρομέα

115

Σχήμα 9.14 : Απόκριση RST ελεγκτή στη μεταβολή της αντίστασης δρομέα

Αυτή η δοκιμή δείχνει ότι στην περίπτωση ενός PI ελεγκτή , ο χρόνος απόκρισης

μεταβάλλεται αρκετά , ενώ αντίθετα παραμένει αμετάβλητος όταν χρησιμοποιούμε έναν RST

ελεγκτή .

116

(Β) . ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΥΣ ΤΟΥ PI ΕΛΕΓΚΤΗ Με δίκτυο 150V/50Hz και παραμέτρους της μηχανής : g = 0.1

M = 47.3mH

Rs = 0.05Ω

Rr = 0.38Ω

Ls = 50mH

Lr = 50mH

Ws = 2*π*50

Εξετάζουμε την απόκριση για διάφορα κέρδη στον ελεγκτή και για ενεργό ισχύ 600W και

άεργο ισχύ -200 , 0 και 200 W .

Αρχικά θα κρατήσουμε τα Kir , Kiq στην τιμή 0.1 και θα δοκιμάσουμε διάφορες τιμές για τα

Kpr , Kpq . Στη συνέχεια θα γίνει το αντίθετο , δηλαδή θα εξετάσουμε την απόκριση

διατηρώντας τα Kpr , Kpq στην τιμή 1 και μεταβάλλοντας τα κέρδη Kir , Kiq .

(Α)

Για Kir = 0.1

Kiq = 0.1

Kpr = 1

Kpq = 1

Για Pref = 600W , Qref = -200Var :

117

118

Παρατηρούμε ότι έχουμε μια μεταβατική κατάσταση έως ότου αποκατασταθεί η μόνιμη

απόκριση . Αυτή η ταλάντωση κρατάει χρονικά περίπου 0.2 sec . Οι Pmes , Qmes , οι τιμές

δηλαδή που παίρνουμε ως μετρηθείσες , ύστερα από αυτό το σύντομο χρονικό διάστημα θα

ταυτιστούν με τις τιμές αναφοράς που δίνουμε στην προσομοίωση (Pref , Qref) . Επίσης

παρατηρούμε ότι στην άεργο ισχύ η ταλάντωση είναι μεγαλύτερη , καθώς φτάνει παροδικά σε

τιμές μικρότερες των -700Var για να καταλήξει να σταθεροποιηθεί τελικά στα -200Var .

Αντίθετα , η ενεργός ισχύς φτάνει ως τα 700W περίπου για να σταθεροποιηθεί στα 600 τελικά .

Για Pref = 600W , Qref = 0Var :

119

Σε αυτή την περίπτωση το πλάτος του παλμού είναι ελαφρά αυξημένο .

120

Για την άεργο ισχύ η ταλάντωση στη μεταβατική κατάσταση δεν ξεπερνά τα -700Var όπως

στην πρώτη περίπτωση , ενώ το άνω άκρο του παλμού βρίσκεται σε ελαφρώς πιο υψηλή θέση

και έχει κάπως πιο «ομαλή» μορφή .

Για Pref = 600W , Qref = 200Var :

121

Το πλάτος είναι ακόμα μεγαλύτερο . Συνεπώς , για δεδομένη ενεργό ισχύ αναφοράς , όσο

αυξάνουμε την άεργο ισχύ αναφοράς , το πλάτος της Pmes εμφανίζεται ελαφρά αυξημένο .

122

Από την άλλη , για τις ίδιες ref τιμές , το πλάτος της αέργου ισχύος μειώνεται , ενώ το άνω

άκρο του παλμού γίνεται όλο και λιγότερο απότομο .

Γενικά , όσο αυξάνουμε την άεργο ισχύ αναφοράς , αυξάνεται το πλάτος της ταλάντωσης για

την ενεργό ισχύ και μειώνεται για την άεργο ισχύ .

(Β)

Για Kir = 0.1

Kiq = 0.1

Kpr = 0.5

Kpq = 0.5

123

Για Pref = 600W, Qref = -200Var :

Σε σύγκριση με κέρδη Kpr = Kpq = 1 και κέρδη Kpr = Kpq = 2 , εδώ η υπερύψωση είναι

λιγότερο απότομη από τις άλλες περιπτώσεις . Δηλαδή περνάει κάποιο αρκετά μεγαλύτερο

χρονικό διάστημα μέχρι η ενεργός ισχύς από το μηδέν να αρχίσει να αυξάνεται σημαντικά

πλησιάζοντας την τιμή της μόνιμης κατάστασης . Επίσης , το πλάτος της ταλάντωσης είναι

ελαφρά μεγαλύτερο .

124

Στην άεργο ισχύ , από την άλλη , το πλάτος της ταλάντωσης είναι αρκετά μεγαλύτερο για

χαμηλά Kpr , Kpq κέρδη .

Για Pref = 600W , Qref = 0 Var :

125

126

Για Pref = 600W , Qref = 200var :

127

128

(Γ)

Για Kir = 0.1

Kiq = 0.1

Kpr = 2

Kpq = 2

Για Pref = 600W , Qref = -200Var :

129

Με την αύξηση των Kpr , Kpq , ο παλμός εμφανίζει μια πολύ απότομη αύξηση . Δηλαδή σε

ελάχιστο χρόνο αυξάνεται από το 0 σε τιμές που βρίσκονται κοντά στη μόνιμη τιμή . Επίσης , το

άνω άκρο του παλμού είναι λιγότερο αιχμηρό από όσο για μικρότερες τιμές των Kpr , Kpq .

130

Το πλάτος του παλμού της αέργου ισχύος είναι αρκετά μειωμένο σε σχέση με χαμηλότερες

τιμές των Kpr , Kpq .

Για Pref = 600W , Qref = 0 :

131

132

Για Pref = 600W , Qref = 200Var :

133

134

(Δ)

Για Kir = 0.05

Kiq = 0.05

Kpr = 1

Kpq = 1

Για Pref = 600W , Qref = -200Var :

135

Εδώ φαίνεται καθαρά πως όταν ο ελεγκτής έχει κέρδη Kir , Kiq χαμηλότερα , τότε το

χρονικό διάστημα που απαιτείται για να φτάσουμε στη μόνιμη απόκριση γίνεται μεγαλύτερο .

Ενώ , παρακάτω για Kir = Kiq = 2 , φαίνεται πως τα μεγαλύτερα τέτοια κέρδη του ελεγκτή

δίνουν και πιο σύντομο χρόνο απόκρισης . Η ανύψωση είναι πιο ομαλή για χαμηλότερα κέρδη

Kir , Kiq , ενώ η κορυφή δεν είναι αιχμηρή , διαρκεί κάπως περισσότερο χρόνο .

136

Για Pref = 600W , Qref = 0Var :

137

138

Για Pref = 600W , Qref = 200Var :

139

140

(Ε)

Για Kir = 0.2

Kiq = 0.2

Kpr = 1

Kpq = 1

Για Pref = 600W , Qref = -200Var :

141

Παρατηρούμε ότι τα μεγάλα Kir, Kiq τροποποιούν τη μορφή της μεταβατικής απόκρισης,

δίνοντας μορφή με περισσότερες διακυμάνσεις πάνω και κάτω από τη μόνιμη τιμή . Η ανύψωση

είναι πιο απότομη , ενώ η κορυφή του παλμού πιο αιχμηρή .

142

Για Pref = 600W , Qref = 0Var :

143

144

Για Pref = 600W , Qref = 200Var :

145

146

147

9.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΙΚΑ

Παραπάνω παρουσιάστηκε ένας μηχανισμός που προορίζεται να συνδεθεί σε έναν

ανεμόμυλο , βασισμένος σε μια DFIG συνδεδεμένη με το δίκτυο . Ύστερα από την περιγραφή

του μηχανισμού και της διαδικασίας της σύνδεσής του με το δίκτυο , διαμορφώθηκε ένα

μαθηματικό πρότυπο δυο φάσεων για τη DFIG . Για να πετύχουμε τον έλεγχο της ενεργού και

της άεργου ισχύος του στάτη η οποία ανταλλάσσεται ανάμεσα στη DFIG και το δίκτυο ,

παρουσιάστηκε μια μέθοδος διανυσματικού ελέγχου . Μελετήθηκαν προσομοιώσεις για δυο

τύπους ελεγκτών : τον κλασικό PI ελεγκτή και τον πολυωνυμικό RST . Ο σχεδιασμός του RST

ελεγκτή περιγράφεται αναλυτικά . Οι προσομοιώσεις δείχνουν πως η απόκριση είναι ισοδύναμη

για τους δυο ελεγκτές υπό ιδανικές συνθήκες (δηλαδή χωρίς διαταραχές και χωρίς μεταβολές

των παραμέτρων της μηχανής) . Ο RST ελεγκτής είναι πιο αποδοτικός στις περιπτώσεις όπου η

ταχύτητα μεταβάλλεται απότομα (κάτι που συμβαίνει συχνά στα αιολικά συστήματα ενέργειας)

και είναι πιο ισχυρός έναντι μεταβολών των παραμέτρων της DFIG (π.χ. της αντίστασης δρομέα

στην περίπτωσή μας) . Μελετήθηκε τέλος η μεταβατική απόκριση του συστήματος για

διαφορετικές τιμές των παραμέτρων του PI ελεγκτή . Γενικά οι αποκρίσεις γίνονται καλύτερες

(πιο γρήγορες και με μικρότερα πλάτη ταλάντωσης) για μεγαλύτερες τιμές των παραμέτρων του

ελεγκτή .

148

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] F.Poitiers , M.Machmoum , R. Le Doeuff and M.E.Zaim , “Control of a doubly-fed induction

generator for wind energy conversion systems”, GE44-LARGE , Ecole Polytechnique de

l’Universite de Nantes , Saint Nazaire , France

[2] Asplund G , Eriksson K , Svensson K , “DC Transmission based on Voltage Source

Converter” , CIGRE SC14 Colloquium in South Africa 1997

[3] A.Petersson , “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for

Wind Turbines” , Licentiate Thesis , Dept. Electric Power Engineering , Chalmers University of

Technology , Sweden 2003

[4] T. Ackermann , “Wind Power in Power Systems” , Royal Institute of Technology Stockholm,

Sweden 2005

[5] T. Burton , D. Sharpe , N. Jenkins , E. Bossanyi , “Wind Energy Handbook” , Wiley , 2001

[6] Wind energy in europe. European Wind Energy Association. Available at

http://www.ewea.org.

[7] Α. Σαφάκας , “Ηλεκτρικές Μηχανές Β” , Πανεπιστήµιο Πατρών , 2002

[8] Α.Σαφάκας , “Δυναμική Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων” , Πανεπιστήμιο Πατρών , 1995

[9] http: \\ www.windpower.org

149

[10] J.I. Marvik , T. Bjorgum , B.I. Naess , T.M. Undeland , T. Gjengedal , “Control of a Wind

Turbine with Doubly Fed Induction Generator after Transient Failures”, Nordic Workshop on

Power and Industrial Electronics , 2004

[11] H.Ø. Røstøen, T.M. Undeland, T. Gjengedal, “Doubly fed induction generator in a wind

turbine”, Proceedings of wind power and the impacts on power systems workshop, Oslo 2002 http://www.elkraft.ntnu.no/eno/Papers2002/Rostoen.pdf [12] Vas, P. 1992. Electrical machines and drives, a space-vector approach. Oxford. Clarendon

Press, 1992.

[13] Bowes, S. R. 1975. New sinusoidal pulse width-modulated inverter. Proc. IEE. 122(11):

1279 -- 1285.

150