ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΩΣΤΑΚΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ-ΑΕΜ 5083 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΔΕΜΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2014 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση, ο σχεδιασμός και η προσομοίωση ενός αυτόνομου συστήματος που περιλαμβάνει ένα αιολικό σύστημα σε παραλληλισμό με μια σύγχρονη γεννήτρια για την αδιάλειπτη παροχή ισχύος με σταθερή τάση και συχνότητα σε τριφασικό φορτίο. Το συνολικό σύστημα περιλαμβάνει ανεμοτουρμπίνα, επαγωγική γεννήτρια, ανορθωτική γέφυρα, φορτίο διάχυσης, αμφίδρομο μετατροπέα συνεχούς τάσης, μπαταρία, τριφασικό αντιστροφέα ισχύος, PI ελεγκτές, σύγχρονη γεννήτρια. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζονται ο σχεδιασμός και η ανάλυση των επιμέρους υποσυστημάτων και στο δεύτερο μέρος τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης. Η μοντελοποίηση και η ανάλυση έγινε με τη χρήση του λογισμικού Matlab/Simulink. 2 Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέπων Επίκουρο Καθηγητή Α.Π.Θ. κ. Χρήστο Μαδεμλή για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου την διπλωματική εργασία και την άψογη συνεργασία που είχαμε. Το θέμα με το οποίο ασχολήθηκα είναι πολύ ενδιαφέρον δίνοντας μου την ευκαιρία να ασχοληθώ με ένα ευρύ φάσμα της επιστήμης του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού. Οι γνώσεις και οι εμπειρίες που αποκόμισα κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας θα μου είναι πολύτιμες στο μέλλον. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Αθανάσιο Μεσεμανώλη για το ενδιαφέρον και την άψογη συνεργασία που είχαμε κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου, τον αδερφό μου και όλους όσους με στήριξαν κατά την διάρκεια των σπουδών μου. 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ...................................................................................................................6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΓΕΝΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ.................................................................8 2.1 Περιγραφή συστήματος……………………………………………………………………………………..................8 2.2 Σύστημα ανόρθωσης…………………………………………………………………………………………................11 2.2.1 Ανεμοτουρμπίνα…………………………………………………………………………….…….......................12 2.2.2 Ασύγχρονη γεννήτρια………………………………………………………………………………...................16 2.2.3 Ανορθωτική διάταξη…………………………………………………………………………..........................17 2.2.4 Κύκλωμα ελέγχου………………………………………………………………………………………................18 2.2.4.1 Εύρεση μέγιστου σημείου λειτουργίας MPPT………………………………………………..........19 2.3 Σύστημα μονάδων αποθήκευσης………………………………………………………………………...............20 2.3.1 Μπαταρία………………………………………………………………………………………………....................21 2.3.2 DC/DC Μετατροπέας………………………………………………………………………………...................23 2.3.3 Φορτίο διάχυσης……………………………………………………………………………………….................24 2.4 Σύστημα αντιστροφής……………………………………………………………………………………………...........25 2.4.1 Τριφασικός αντιστροφέας ισχύος………………………………………………………………….............26 2.4.1.1 Διαμόρφωση PWM ελέγχου ρεύματος (δέλτα διαμόρφωση)………….…………........27 2.4.2 Σύγχρονη γεννήτρια…………………………………………..……………………………………………...........28 2.4.3 Κύκλωμα ελέγχου...........................................................................................................29 2.4.3.1 Βρόχος κλειδώματος κατά φάση PLL.....................................................................30 2.4.3.2 PI ελεγκτής τάσης...................................................................................................31 4 2.4.3.3 PI ελεγκτής συχνότητας..........................................................................................31 2.4.3.4 PI ελεγκτής μηχανικής ισχύος................................................................................32 2.4.3.5 Μετασχηματισμός d-q...........................................................................................32 2.4.4 LCL Φίλτρο......................................................................................................................33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Αποτελέσματα προσομοίωσης................................................................................34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Συμπεράσματα........................................................................................................75 Βιβλιογραφία........................................................................................................................................77 Παράρτημα............................................................................................................................................78 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας υπήρξε δυσχερής στο παρελθόν, λόγω του μεγάλου κόστους και της μικρής αποδοτικότητας των διατάξεων. Η ανάπτυξη όμως της τεχνολογίας και κυρίως της αεροδυναμικής και των ηλεκτρονικών ισχύος βοήθησαν στην δημιουργία πιο αξιόπιστων και αποδοτικότερων αιολικών συστημάτων και στην μείωση του κόστους παραγωγής. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα σήμερα η αιολική ενέργεια να αποτελεί έναν από τους πιο ταχέως αναπτυσσόμενους κλάδους και οι εφαρμογές και η τεχνολογία γύρω από τα ζητήματα της αξιοποίησης της να συγκεντρώνουν τεράστιο ενδιαφέρον. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται φυσικά και για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών κατοικιών, βιομηχανικών μονάδων κλπ σε απομακρυσμένα σημεία όπου η διασύνδεση με το κεντρικό δίκτυο δεν είναι εφικτή. Στις περιπτώσεις αυτές, για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της άπνοιας η οι αυξημένες ανάγκες σε ενέργεια κάποιες ώρες της ημέρας, η ενέργεια αποθηκεύεται σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) και χρησιμοποιείται όταν χρειάζεται. Είναι επίσης δυνατό, παράλληλα με τις ανεμογεννήτριες, να γίνεται χρήση ντηζελογεννητριών που λειτουργούν όταν οι ανάγκες το απαιτούν προκειμένου να αντιμετωπιστούν προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη διαθέσιμη ισχύ του ανέμου και το επίπεδο φόρτισης των συσσωρευτών. Το πρόβλημα της σχεδίασης ενός συστήματος ελέγχου για τον παραλληλισμό ενός αιολικού συστήματος με μια σύγχρονη γεννήτρια για την τροφοδοσία ενός τριφασικού φορτίου σε αυτόνομη λειτουργία είναι αυτό που απασχόλησε την παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κύριο μέρος της εργασίας έγινε προσπάθεια σχεδιασμού ενός συστήματος ελέγχου το οποίο θα λαμβάνει υπόψη την διαθέσιμη ισχύ του ανέμου, το επίπεδο φόρτισης των μονάδων αποθήκευσης και την απαιτούμενη ισχύ του φορτίου και θα ρυθμίζει κατάλληλα την είσοδο της σύγχρονης γεννήτριας και την έξοδο του αντιστροφέα προκειμένου να επιτευχθεί η τροφοδοσία του φορτίου με σταθερή τάση και συχνότητα. Βασικός λόγος που επιβάλλει αυτόν τον παραλληλισμό είναι η αξιόπιστη και με αποτελεσματικό τρόπο τροφοδοσία καταναλωτών σε απομακρυσμένα σημεία στα οποία δεν είναι δυνατή η σύνδεση με το κεντρικό δίκτυο. 6 Ο σχεδιασμός και η ανάλυση του αυτόνομου συστήματος έγινε αποκλειστικά σε επίπεδο προσομοίωσης με τη χρήση του toolbox Simulink του υπολογιστικού προγράμματος Matlab. Αρχικά μας δόθηκε το μοντέλο της ανεμογεννήτριας με την ανορθωτική γέφυρα και το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης. Στη συνέχεια σχεδιάσαμε το σύστημα ελέγχου του αντιστροφέα έτσι ώστε να πετύχουμε τον παραλληλισμό της σύγχρονης γεννήτριας που χρησιμοποιήσαμε με το υπόλοιπο σύστημα για την αδιάλειπτη τροφοδότηση του φορτίου. Οι απαιτήσεις που υπήρχαν για τη διάταξη που σχεδιάσαμε ήταν η γρήγορη απόκριση και η αντοχή του συστήματος στις διάφορες καταστάσεις ταχύτητας ανέμου, φορτίου και επιπέδου φόρτισης των συσσωρευτών καθώς και η βέλτιστη λύση για την αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος. Έπειτα από συνεχείς δοκιμές για διάφορες λειτουργικές καταστάσεις του συστήματος, υπό σταθερές και μεταβατικές συνθήκες προχωρήσαμε στη σωστή ρύθμιση των PI ελεγκτών έτσι ώστε να πετύχουμε την ομαλή λειτουργία της διάταξης. Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε κατά την διάρκεια των προσομοιώσεων ήταν η προσπάθεια βελτιστοποίησης της μορφής της τάσης και του ρεύματος προκειμένου να γίνει η τροφοδότηση του φορτίου με τη μικρότερη δυνατή αρμονική παραμόρφωση. 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΓΕΝΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ 2.1 Περιγραφή συστήματος Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζεται σε μπλοκ διάγραμμα η υλοποίηση του αυτόνομου συστήματος, ισχύος 5kW, το οποίο αποτέλεσε αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας. Σχήμα 2.1 Μπλοκ διάγραμμα αυτόνομου συστήματος Η γενική διάταξη της του συστήματος αποτελείται από τα εξής επιμέρους τμήματα: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Ανεμοτουρμπίνα Ασύγχρονη γεννήτρια Ανορθωτική γέφυρα (AC/DC Converter) DC/DC Converter Μπαταρία Αντιστροφέα ισχύος (DC/AC Inverter) Σύγχρονη γεννήτρια 8 Η ανεμοτουρμπίνα χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική στον άξονα της τουρμπίνας. Ο άξονας της τουρμπίνας είναι μηχανικά μανδαλωμένος με το δρομέα της γεννήτριας και έτσι αποτελεί την κινητήρια μηχανή της γεννήτριας. Η γεννήτρια χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η συχνότητα καθώς και το πλάτος της παραγόμενης εναλλασσόμενης τάσης είναι ανάλογα της ταχύτητας περιστροφής της γεννήτριας. Μια τυχαία αλλαγή στην ταχύτητα του ανέμου θα επιφέρει μεταβολή στην ταχύτητα της γεννήτριας και κατά συνέπεια στη συχνότητα και το πλάτος της επαγόμενης τάσης. Για το λόγο αυτό η γεννήτρια δε συνδέεται απευθείας με το φορτίο αλλά μέσω ενός κατάλληλου συστήματος μετατροπής της παραγόμενης τάσης αρχικά σε συνεχή (ανόρθωση) και στη συνέχεια σε εναλλασσόμενη (αντιστροφή) με το ζητούμενο πλάτος και τη συχνότητα της τάσης. Το αυτόνομο σύστημα που σχεδιάσαμε περιλαμβάνει σύγχρονη γεννήτρια η οποία διατηρεί σταθερή την τάση και τη συχνότητα σε κάθε περίπτωση και παρέχει ισχύ στο τριφασικό φορτίο όταν απαιτείται. Εκτός από τη σύγχρονη γεννήτρια προκειμένου να διατηρηθεί το ενεργειακό ισοζύγιο ανάμεσα στην ισχύ του ανέμου και τη ζήτηση του φορτίου το σύστημα περιλαμβάνει φορτίο διάχυσης και μπαταρία. Για παράδειγμα, σε περίπτωση που η διαθέσιμη ισχύ του ανέμου δεν επαρκεί για την παραγωγή της απαιτούμενης ενέργειας που ζητά το φορτίο, η επιπλέον ενέργεια αντλείται από την μπαταρία και από τη σύγχρονη γεννήτρια. Όταν έχουμε περίσσεια παραγόμενης ενέργειας, δηλαδή δεν απορροφάται ούτε από τη μπαταρία ούτε από το φορτίο, τον σύστημα την διαχέει στο φορτίο διάχυσης αποτρέποντας έτσι την εμφάνιση υπέρτασης στα άκρα του πυκνωτή του DC διαύλου. Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας με την ανορθωτική γέφυρα και το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης μας δόθηκε έτοιμο και στη συνέχεια σχεδιάσαμε το σύστημα ελέγχου του αντιστροφέα με τη σύγχρονη γεννήτρια. Θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορες λειτουργικές καταστάσεις του συστήματος, υπό σταθερές και μεταβατικές συνθήκες και ειδικότερα για διάφορες περιπτώσεις ταχύτητας ανέμου, φορτίου και επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας. Το λειτουργικό διάγραμμα που χρησιμοποιήθηκε κατά την μοντελοποίηση και ανάλυση του συστήματος με το πρόγραμμα Matlab/Simulink φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και αποτελείται από τρία υποσυστήματα: Σύστημα ανόρθωσης Σύστημα μονάδων αποθήκευσης Σύστημα αντιστροφής 9 10 2.2 Σύστημα ανόρθωσης Το σύστημα ανόρθωσης περιλαμβάνει ανεμοτουρμπίνα, ασύγχρονη γεννήτρια, τριφασικό ανορθωτή με τεχνική PWM ελέγχου ρεύματος δέλτα διαμόρφωσης και κύκλωμα ελέγχου με εύρεση μέγιστου σημείου λειτουργίας MPPT. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται η διάταξη του συστήματος ανόρθωσης που χρησιμοποιήθηκε στο Matlab/Simulink. Σχήμα 2.2 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος ανόρθωσης 11 2.2.1 Ανεμοτουρμπίνα Η ανεμοτουρμπίνα (Wind Turbine) αποτελεί το αεροδυναμικό μέρος της διάταξης και χρησιμοποιείται ως κινητήρια μηχανή της ασύγχρονης γεννήτριας. Μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε μηχανική και περιστρέφει τον δρομέα της γεννήτριας για την παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης στα άκρα της. Το μπλοκ της ανεμοτουρμπίνας όπως αυτό δίνεται από το Matlab/Simulink δίνεται παρακάτω. Όπως φαίνεται από το σχήμα παίρνει τρεις εισόδους οι οποίες είναι οι εξής: Την ταχύτητα του ανέμου, wr(rad/s) Την γωνία των πτερυγίων, b(deg) Την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας, u (m/s) Ως έξοδο δίνει την παραγόμενη μηχανική ροπή Tm(Nm) η οποία οδηγείται σαν είσοδος στην ασύγχρονη γεννήτρια. Η παραγόμενη μηχανική ισχύς στον άξονα της ανεμοτουρμπίνας δίνεται από τη σχέση: Όπου ρ είναι η πυκνότητα του αέρα σε ⁄ είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος , είναι το εμβαδό της επιφάνειας που καλύπτουν τα πτερύγια ακτίνας R u είναι ταχύτητα του ανέμου σε m/s 12 Στο σχήμα 2.3 παρουσιάζεται το κυκλωματικό διάγραμμα της ανεμοτουρμπίνας όπως δίνεται στο Matlab/Simulink. Σχήμα 2.3 Κυκλωματικό διάγραμμα ανεμοτουρμπίνας Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος είναι ένα αδιάστατο μέγεθος ο οποίος εξαρτάται από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (tip speed ratio) και την γωνία περιστροφής των πτερυγίων β. Όσο μεγαλύτερη τιμή παίρνει τόσο αυξάνεται η εκμετάλευση του αιολικού δυναμικού. Στο επόμενο διάγραμμα φαίνεται η μεταβολή του συναρτήσει του λ με παράμετρο τη γωνία των πτερυγίων β. 13 Σχήμα 2.4 Χαρακτηριστική -λ με παράμετρο τη γωνία των πτερυγίων Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα η μέγιστη τιμή του είναι . Επιλέγουμε λοιπόν μηδενική γωνία πτερυγίων ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη ισχύς εξόδου της ανεμοτουρμπίνας και ακτίνα έλικας ίση με 2,3m [Blades Radius=2.3]. Στο επόμενο διάγραμμα φαίνεται η μεταβολή της μηχανικής ισχύος συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής της ανεμοτουρμπίνας για διάφορες ταχύτητες ανέμου. 14 Σήμα 2.5 Χαρακτηριστική μηχανικής ισχύος - ταχύτητας περιστροφής ανεμοτουρμπίνας για διάφορες ταχύτητες ανέμου Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα βλέπουμε ότι για ταχύτητα ανέμου ίση με 10 m/s παίρνουμε την ονομαστική ισχύ εξόδου, 5kW. Το εύρος λειτουργίας της ανεμοτουρμπίνας είναι για ταχύτητες ανέμου μεταξύ 4 έως 11 m/sec. Η ανεμογεννήτρια της διάταξης μας είναι σταθερού βήματος έλικας οπότε για ταχύτητες μεγαλύτερες των 11m/sec έχουμε ακραίες μηχανικές καταπονήσεις και διακόπτουμε τη λειτουργία της. Για ταχύτητες κάτω των 4m/s η ροή ισχύος αντιστρέφεται, ώστε να υπερνικήσει τις τριβές και η γεννήτρια λειτουργεί σαν κινητήρας. 15 2.2.2 Ασύγχρονη γεννήτρια Στο σύστημα που σχεδιάσαμε χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την μηχανική ενέργεια της ανεμοτουρμπίνας μια τριφασική ασύγχρονη γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Αυτός ο τύπος γεννητριών χρησιμοποιείται ευρύτατα στα αιολικά συστήματα λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Τα κυριότερα από αυτά είναι η απλότητα κατασκευής και λειτουργίας, το χαμηλό κόστος αγοράς, η μεγάλη στιβαρότητα και αξιοπιστία, το μικρό μέγεθος ανά μονάδα παραγωγής ισχύος, η απουσία ψηκτρών, η εύκολη συντήρηση και η αυτοπροστασία έναντι βραχυκυκλωμάτων. Ωστόσο η επαγωγική γεννήτρια παρουσιάζει έντονη μεταβολή της τάσης σε κυμαινόμενη ταχύτητα του δρομέα και χαμηλό συντελεστή ισχύος. Το πιο σημαντικό όμως μειονέκτημα της είναι η έλλειψη ξεχωριστού κυκλώματος διέγερσης καθώς ο δρομέας της είναι βραχυκυκλωμένος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μη μπορεί να παράγει άεργο ισχύ και να αυτοδιεγείρεται. Έτσι κατά την λειτουργία της αλλά και κατά την εκκίνηση της θα πρέπει να παρέχεται η απαιτούμενη άεργος ισχύς στη γεννήτρια. Το ρόλο αυτής της πηγή άεργης ισχύος στο κύκλωμά μας παίζει ο πυκνωτής του DC διαύλου . Στο παρών μοντέλο η γεννήτρια που χρησιμοποιείται είναι 10πολική με αποτέλεσμα να μην απαιτείται κιβώτιο ταχυτήτων. Έτσι επιτυγχάνεται μείωση του κόστους, του βάρους, βελτίωση της αξιοπιστίας και ελάττωση του θορύβου. Οι παράμετροι της ασύγχρονης γεννήτριας που χρησιμοποιήθηκε στη διάταξη δίνονται στον παρακάτω πίνακα 2.1. Μέγεθος Τιμή μεγέθους Ονομαστική ισχύς, Pn (VA) 5400 VA Ονομαστική πολική τάση, Vn (Vrms) 380 V Συχνότητα, fn(Hz) 50 Hz Αριθμός ζευγών πόλων, p 5 Ωμική αντίσταση στάτη, Rs (Ω) 2Ω Αυτεπαγωγή στάτη, Ls (H) 0.01 H Ωμική αντίσταση δρομέα, Rr (Ω) 3.4 Ω Αυτεπαγωγή δρομέα, Lr (H) 0.01 H Αμοιβαία επαγωγή, Lm (H) 0.2 H Αδράνεια, J (kg.m^2) 0.05 kg.m^2 Συντελεστής τριβής, F (N.m.s) 0 N.m.s Πίνακας 2.1 Παράμετροι ασύγχρονης γεννήτριας 16 2.2.3 Ανορθωτική διάταξη Η εναλλασσόμενη τάση που παράγεται στους ακροδέκτες της ασύγχρονης γεννήτριας ανορθώνεται με τη βοήθεια μιας τριφασικής ελεγχόμενης γέφυρας από IGBT με αντιπαράλληλες διόδους. Η τοποθέτηση των αντιπαράλληλων διόδων επιτρέπει την αμφίδρομη ροή ισχύος δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στη γεννήτρια να δουλεύει και στα τέσσερα τεταρτημόρια. Έτσι επιτυγχάνεται η τροφοδότηση της ασύγχρονης γεννήτριας με την απαιτούμενη άεργο ισχύ. Η επιλογή των IGBT έγινε λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν σε σχέση με τα άλλα διακοπτικά στοιχεία με πιο σημαντικό αυτό της αντοχής τους στις υψηλές τάσεις λειτουργίας που αναπτύσσονται στο σύστημα, τις μικρές διακοπτικές απώλειες και το μεγάλο εύρος διακοπτικής συχνότητας που έχουν. Οι παλμοί ελέγχου των ηλεκτρονικών διακοπτών της τριφασικής ανορθωτικής γέφυρας παράγονται μέσω της τεχνικής διαμόρφωσης PWM βρόγχου ελέγχου ρεύματος και μάλιστα με δέλτα διαμόρφωση, για το λόγο ότι η συγκεκριμένη διαμόρφωση έχει γρηγορότερη δυναμική απόκριση σε σύγκριση με τη διαμόρφωση PWM πηγής τάσης. Η δέλτα διαμόρφωση βασίζεται στον έλεγχο των ρευμάτων όπου η σύγκριση τους γίνεται με σταθερή συχνότητα. Στην τεχνική αυτή τα ημιτονοειδή σήματα αναφοράς των ρευμάτων των τριών φάσεων που παράγονται από το κύκλωμα ελέγχου και συγκεκριμένα μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού d-q συγκρίνονται με τις κυματομορφές των πραγματικών ρευμάτων των τριών φάσεων της γεννήτριας. Από το σφάλμα μέτρησης παράγονται οι κατάλληλοι παλμοί που οδηγούν τα IGBT. 17 2.2.4 Κύκλωμα ελέγχου Στόχος του κυκλώματος ελέγχου του συστήματος ανόρθωσης είναι η δημιουργία των κατάλληλων ρευμάτων αναφοράς τα οποία είναι απαραίτητα για την δέλτα διαμόρφωση. Αυτό γίνεται μέσω του ελέγχου εύρεσης μέγιστου σημείου λειτουργίας MPPT και του PI ελέγκτή ταχύτητας. To μπλοκ του MPPT δέχεται ως είσοδο την μηχανική ισχύ της ανεμοτουρμπίνας και δίνει ως έξοδο το σήμα αναφοράς της περιστροφικής ταχύτητας το οποίο οδηγείται στον PI ελεγκτή ταχύτητας. Στη συνέχεια το σφάλμα μεταξύ της ταχύτητας αναφοράς και της πραγματικής οδηγείται στον PI ελεγκτή ο οποίος δίνει ως έξοδο την τιμή αναφοράς για το ρεύμα ροπής . Το ρεύμα πεδίου που επιλέγουμε είναι . Τέλος μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού dq0-abc παράγονται τα ρεύματα αναφοράς της γεννήτριας ( , , ). 18 2.2.4.1 Εύρεση μέγιστου σημείου λειτουργίας MPPT Στο σχήμα 2.5 φαίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες μηχανικής ισχύος -ταχύτητας περιστροφής της ανεμοτουρμπίνας για κάθε ταχύτητα του ανέμου. Το MPPT μπλοκ διάγραμμα χρησιμοποιείται για την εύρεση του μεγίστου σημείου λειτουργίας της κάθε χαρακτηριστικής καμπύλης. To MPPT μπλοκ δέχεται ως είσοδο την μηχανική ισχύ της ανεμοτουρμπίνας ( ) και δίνει ως έξοδο το σήμα αναφοράς της περιστροφική ταχύτητας της γεννήτριας ( ). Αρχικά συγκρίνονται δύο διαδοχικές τιμές της μηχανικής ισχύος και στη συνέχεια η διαφορά τους ενισχύεται με ένα σταθερό κέρδος το οποίο καθορίζει το βήμα αύξησης η μείωσης της ταχύτητας περιστροφής. Αυτό το κέρδος εισάγεται σε έναν περιοριστή ώστε η μεταβολή της ταχύτητας αναφοράς να μην είναι πολύ μεγάλη για να προλαβαίνει το σύστημα να ανταποκριθεί. Ακολούθως αν η ταχύτητα αναφοράς πρέπει να αυξηθεί η να μειωθεί το κέρδος παίρνει το αντίστοιχο πρόσημο. Το τελικό βήμα οδηγείται στην έξοδο όπου προστίθεται η αφαιρείται στην προηγούμενη τιμή της ταχύτητας αναφοράς. Η έξοδος του MPPT μπλοκ οδηγείται στον PI ελεγκτή ταχύτητας. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα του MPPT. Σχήμα 2.6 Κυκλωματικό διάγραμμα MPPT 19 2.3 Σύστημα μονάδων αποθήκευσης Το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης αποτελεί σημαντικό κομμάτι της διάταξης καθώς συγκεντρώνει τις διακυμάνσεις της ισχύος. Ως μέσω αποθήκευσης χρησιμοποιείται η μπαταρία. Σε περίπτωση που η παραγόμενη ενέργεια δεν απορροφάται από το φορτίο η μπαταρία φορτίζεται αποθηκεύοντας ενέργεια. Όταν η ισχύς του ανέμου δεν επαρκεί για την κάλυψη των αναγκών του συστήματος η μπαταρία εκφορτίζεται παρέχοντας την ενέργεια που έχει αποθηκεύσει. Το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης περιλαμβάνει μπαταρία, μετατροπέα DC/DC αμφίδρομης ροής (DC/DC Converter), δίαυλο συνεχής τάσης(DC Bus) και φορτίο διάχυσης (dump load). Το λειτουργικό διάγραμμα του συστήματος φαίνεται στο σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7 DC/DC Μετατροπέας 20 2.3.1 Μπαταρία Στα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χρησιμοποιούνται συνήθως μπαταρίες νικελιούκαδμίου(Ni-Cd) και μολύβδου οξέος (Lead-Acid). Στο αυτόνομο σύστημα που σχεδιάσαμε επιλέξαμε μπαταρία μολύβδου-οξέος. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου έχουν σχεδόν διπλάσιο χρόνο από τις μολύβδου-οξέος και μπορούν να λειτουργήσουν σε δυσμενές περιβάλλον όμως είναι ακριβότερες και μετά την χρήση παρουσιάζουν μεγάλη διάρκεια ζωής ως τοξικά απόβλητα. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι πιο διαδεδομένες παρά τον περιορισμένο κύκλο ζωής τους (φόρτισηεκφόρτιση) καθώς έχουν χαμηλό κόστος. Το βάθος εκφόρτισης των συσσωρευτών μολύβδου κυμαίνεται από 50% εώς 92% και ανάλογα με τον τύπο τους αντέχουν μέχρι 500-800 κύκλους φορτίσεων-εκφορτίσεων ενώ μετά αχρηστεύονται. Η ονομαστική τάση κάθε κυψελίδας είναι 2V οπότε συνδεόμενες οι κυψελίδες στη σειρά δίνουν την ονομαστική τάση της μπαταρίας. Η τάση εξόδου μπαταρίας εξαρτάται από το επίπεδο φόρτισης της και από την κατάσταση λειτουργίας της όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Σχήμα 2.8 Χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης-εκφόρτισης 21 Χαρακτηριστικό μέγεθος ενός συσσωρευτή είναι η χωρητικότητά του και εκφράζεται σε αμπερώρια (Αh). Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποθηκευθεί σε έναν συσσωρευτή είναι το γινόμενο της χωρητικότητάς του επί την ονομαστική του τάση. Στην διάταξη μας χρησιμοποιούμε ένα συσσωρευτή χωρητικότητας 600 Ah με ονομαστική τάση 72V. Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές και στη συνέχεια η χρησιμοποίησή της συνεπάγεται τη διαδοχική φόρτιση και εκφόρτιση του συσσωρευτή. Η διάρκεια της χρήσιμης ζωής των συσσωρευτών εξαρτάται από το πλήθος των διαδοχικών κύκλων φόρτισηςεκφόρτισης και από το βάθος κάθε εκφόρτισης. Για να αποφεύγεται η εκφόρτιση των συσσωρευτών πέρα από κάποιο σημείο καθώς και η υπερβολική φόρτισή τους χρησιμοποιούμε ηλεκτρονικές διατάξεις, οι οποίες διακόπτουν τη ροή ενέργειας προς το συσσωρευτή όταν το φορτίο τους υπερβεί κάποιο σημείο (SOC>99%) και όταν το επίπεδο φόρτισης του συσσωρευτή κατέλθει σε κάποιο σημείο (SOC<20%). Επιλογή μπαταρίας Επειδή δεν υπάρχει μπαταρία με ονομαστική τάση 72V επιλέγουμε συστοιχία από 6 μπαταρίες με ονομαστική τάση 12V και χωρητικότητα 100Ah η κάθε μια τις οποίες συνδέουμε σε σειρά. Το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε είναι το GP121000 της εταιρίας CSB. Στο παράρτημα παρατίθενται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της μπαταρίας. 22 2.3.2 DC/DC Μετατροπέας Προκειμένου να φορτιστεί και να εκφορτιστεί η μπαταρία χρησιμοποιείται ο μετατροπέας DC/DC αμφίδρομης ροής. Ο μετατροπέας αυτός εξασφαλίζει ηλεκτρική απομόνωση ανάμεσα στο κομμάτι της υψηλής και της χαμηλής τάσης με τη βοήθεια ενός μετασχηματιστή. Ο λόγος που χρησιμοποιείται απομονωμένος μετατροπέας είναι γιατί η τάση ανυψώνεται από ένα χαμηλό σε ένα πολύ υψηλό επίπεδο. Προκειμένου να τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον του μετασχηματιστή, η συνεχής τάση στην έξοδο της μπαταρίας μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη μέσω ενός μονοφασικού αντιστροφέα και στην συνέχεια ανορθώνεται στο δευτερεύον ξανά σε συνεχή. Όταν η ροή ισχύος γίνεται από τη γεννήτρια προς τη μπαταρία οι ρόλοι των δύο παραπάνω μετατροπέων αντιστρέφονται. Στην έξοδό του μετατροπέα βρίσκεται ο δίαυλος συνεχής τάσης (DC Βus). Ο δίαυλος αυτός αποτελείται από έναν μεγάλο πυκνωτή μεγέθους 5mF και ο σκοπός του είναι να διατηρεί σταθερή συνεχή τάση ίση με 700V. Ο λόγος που επιλέγουμε μια τόσο υψηλή τάση είναι για να επιτύχουμε μικρή αρμονική παραμόρφωση στη τάση (και συνεπώς και στο ρεύμα) του φορτίου μας. Κάθε χρονική στιγμή, η διαφορά μεταξύ παραγόμενης ισχύος από τη γεννήτρια και απορροφούμενης ισχύος από το φορτίο αποτυπώνεται στην τιμή της τάσης αυτού του πυκνωτή. Συγκεκριμένα, όταν έχουμε περίσσεια παραγωγής τότε εμφανίζεται υπέρταση στα άκρα του ενώ όταν έχουμε μεγαλύτερη ζήτηση ενέργειας απ’ ότι παραγωγή, υπόταση. Το ενεργειακό αυτό ισοζύγιο διατηρείται μέσω της μπαταρίας και του μετατροπέα ο οποίος διατηρώντας σταθερή τη συνεχή τάση στα 700V ρυθμίζει αυτόματα τη ροή ισχύος από και προς τη μπαταρία. 23 2.3.3 Φορτίο διάχυσης Στην περίπτωση που η παραγόμενη ενέργεια δεν απορροφάται ούτε από το φορτίο ούτε από τη μπαταρία το σύστημα εκτρέπει την περίσσεια αυτή ενέργεια σε ένα φορτίο διάχυσης (dump load) αποτρέποντας έτσι την εμφάνιση υπέρτασης στα άκρα του πυκνωτή στο DC δίαυλο. Το φορτίο διάχυσης βρίσκεται μέσα στο μπλοκ διάγραμμα Braking Chopper και αναπαριστάται από μια αντίσταση με τιμή 100 Ω. Το Braking Chopper ενεργοποιείται σε δύο περιπτώσεις. Όταν το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας (SOC) ξεπεράσει το 99% προκειμένου αυτή να μην καταστραφεί, ή όταν η τάση του DC διαύλου ξεπεράσει τα 750V και απενεργοποιείται όταν η τιμή αυτή πέσει στα 720V για προστασία της τάσης αντοχής του πυκνωτή. Το μπλοκ διάγραμμα του Braking Chopper φαίνεται παρακάτω στο σχήμα 2.9. Σχήμα 2.9 Braking Chopper 24 2.4 Σύστημα αντιστροφής Το σύστημα αντιστροφής περιλαμβάνει τριφασικό αντιστροφέα ισχύος (DC/AC Inverter) με τεχνική PWM ελέγχου ρεύματος δέλτα διαμόρφωσης, σύγχρονη γεννήτρια, LCL φίλτρο και κύκλωμα ελέγχου το οποίο σχεδιάστηκε έτσι ώστε ο τριφασικός αντιστροφέας να εκχέει κάθε στιγμή όλη τη διαθέσιμη του ισχύ στο φορτίο. Ο ρόλος της σύγχρονης γεννήτριας είναι η διατήρηση σταθερής τάσης και συχνότητας και η εφεδρική της λειτουργία όσον αφορά την παροχή ισχύος στο φορτίο για την διατήρηση του ενεργειακού ισοζυγίου. Το κύκλωμα ελέγχου του συστήματος που αναλύεται στη συνέχεια αποτελείται από βρόχο κλειδώματος κατά φάση (PLL), PI ελεγκτές τάσης, μηχανικής ισχύος και μετασχηματισμό d-q. Στο σχήμα 2.10 που ακολουθεί φαίνεται η διάταξη του συστήματος αντιστροφής που χρησιμοποιήθηκε στο Matlab/Simulink. Σχήμα 2.10 Λειτουργικό διάγραμμα συστήματος αντιστροφής 25 2.4.1 Τριφασικός αντιστροφέας ισχύος Ο τριφασικός αντιστροφέας ισχύος μετατρέπει τη συνεχή τάση του DC διαύλου σε εναλλασσόμενη συχνότητας 50 Hz και τάσης 230 V-rms. Το κύκλωμα ισχύος του αποτελείται από μια τριφασική ελεγχόμενη γέφυρα με IGBT και αντιπαράλληλες διόδους η οποία λειτουργεί ως τριφασικός μετατροπέας πηγής τάσης με έλεγχο ρεύματος. Η επιλογή των IGBT έγινε λόγω της αντοχής τους στις υψηλές τάσεις, των μικρών διακοπτικών απωλειών και του μεγάλου εύρους διακοπτικής συχνότητας. Οι παλμοί έλεγχου των ηλεκτρονικών διακοπτών παράγονται από τα τριφασικά ρεύματα αναφοράς μέσω διαμόρφωσης PWM με βρόχο ελέγχου ρεύματος και μάλιστα με δέλτα διαμόρφωση όπως και στο σύστημα ανόρθωσης. 26 2.4.1.1 Διαμόρφωση PWM ελέγχου ρεύματος (δέλτα διαμόρφωση) Στην τεχνική αυτή τα ημιτονοειδή σήματα αναφοράς των ρευμάτων των τριών φάσεων που παράγονται από το κύκλωμα ελέγχου και συγκεκριμένα μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού dq συγκρίνονται με τις κυματομορφές των πραγματικών ρευμάτων των τριών φάσεων της γεννήτριας. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το μπλοκ που χρησιμοποιήθηκε στο Matlab/Simulink. Διακρίνονται ως είσοδοι τα ρεύματα αναφοράς, τα πραγματικά ρεύματα των τριών φάσεων και η συχνότητα δειγματοληψίας. Ως έξοδο δίνει τους παλμούς ελέγχου των ηλεκτρονικών διακοπτών IGBT του αντιστροφέα ισχύος. Στο σχήμα 2.11 φαίνεται πως πραγματοποιείται η δέλτα διαμόρφωση. Αρχικά συγκρίνονται τα πραγματικά ρεύματα με τα ρεύματα αναφοράς και ανάλογα με το πρόσημο του σφάλματος ανοίγουν η κλείνουν οι αντίστοιχοι διακόπτες. Σχήμα 2.11 Κυκλωματικό διάγραμμα δέλτα διαμορφωσης 27 2.4.2 Σύγχρονη γεννήτρια Η χρήση της σύγχρονης γεννήτριας αποτελεί την ιδανικότερη λύση προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος της αδιάλειπτης παροχής ισχύος σταθερής τάσης και συχνότητας στο τριφασικό φορτίο. Η ρύθμιση του κυκλώματος ελέγχου του συστήματος έγινε έτσι ώστε η σύγχρονη γεννήτρια να διατηρεί σταθερή την τάση και την συχνότητα και να παρέχει την απαραίτητη ισχύ που απαιτείται όταν δεν επαρκεί η διαθέσιμη ισχύς του ανέμου και της μπαταρίας για την κάλυψη των αναγκών του φορτίου. Η σύγχρονη γεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτούμενη από δύο διαφορετικές πηγές ενέργειας, μηχανική και ηλεκτρική. Η ενεργός και η άεργος ισχύς που παράγονται από την γεννήτρια καθορίζονται από τις ανάγκες του συστήματος. Η συχνότητα και το πλάτος της τάσης εξόδου της είναι δυνατόν να μεταβάλλονται μέσω της ταχύτητας του δρομέα(έλεγχός εισόδου μηχανικής ισχύος ) και του ρεύματος διέγερσης(έλεγχος εισόδου τάσης διέγερσης ) αντίστοιχα. Οι παράμετροι της σύγχρονης γεννήτριας που χρησιμοποιήθηκε στη διάταξη δίνονται στον πίνακα 2.2. Μέγεθος Τιμή μεγέθους Ονομαστική ισχύς, Pn (VA) 8100 VA Ονομαστική πολική τάση, Vn (Vrms) 400 V Ονομαστική μηχανική ταχύτητα περιστροφής (rpm) 1500 rpm Συχνότητα, fn(Hz) 50 Hz Αριθμός ζευγών πόλων, p 2 Ωμική αντίσταση στάτη, Rs (Ω) 1.62 Ω Αυτεπαγωγή μαγνήτισης στον ορθό άξονα-d, Lmd (H) 0.1086 H Αυτεπαγωγή μαγνήτισης στον ορθό άξονα-q, Lmq (H) 0.05175 H Αδράνεια, J (kg.m^2) 0.0923 kg.m^2 Συντελεστής τριβής, F (N.m.s) 0.009 N.m.s Πίνακας 2.2 Παράμετροι σύγχρονης γεννήτριας 28 2.4.3 Κύκλωμα ελέγχου Σκοπός του κυκλώματος ελέγχου είναι η δημιουργία των κατάλληλων ρευμάτων αναφοράς του αντιστροφέα έτσι ώστε να εκχέεται όλη η διαθέσιμη ισχύς του στο δίκτυο και η παράλληλη εφεδρική λειτουργία της σύγχρονης γεννήτριας έτσι ώστε να καλύπτονται οι ενεργειακές απαιτήσεις του φορτίου με σταθερή τάση και συχνότητα. Η διαδικασία του ελέγχου είναι η εξής: Η τάση του φορτίου οδηγείται στο βρόχο κλειδώματος κατά φάση (PLL) o οποίος μας δίνει στην έξοδο του την γωνιά και την συχνότητα του ηλεκτρικού φορτίου και την συνιστώσα της τάσης. Ο PI ελεγκτής τάσης δέχεται ως είσοδο την συνιστώσα της τάσης και την επιθυμητή (325V) και μας δίνει την τάση διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας. Η συχνότητα οδηγείται στον PI ελεγκτή συχνότητας όπου συγκρίνεται με την τιμή αναφοράς (50Hz) και μας δίνει την μηχανική ισχύ εισόδου της σύγχρονης γεννήτριας. Η μηχανική ισχύς εν συνεχεία οδηγείται στον αντίστοιχο PI ελεγκτή ο οποίος μας δίνει το ρεύμα του αντιστροφέα το οποίο μαζί με την γωνία του φορτίου είναι απαραίτητα για την πραγματοποίηση του αντίστροφου μετασχηματισμού d-q έτσι ώστε να πάρουμε τα ρεύματα αναφοράς τα οποία θα χρησιμοποιηθούν στη δέλτα διαμόρφωση. 29 2.4.3.1 Βρόχος κλειδώματος κατά φάση PLL Η αρχή λειτουργίας του PLL βασίζεται στο μηδενισμό της συνιστώσας των τάσεων του φορτίου. Αρχικά μετασχηματίζονται οι τάσεις του φορτίου με ανάδραση της γωνίας εξόδου από το τριφασικό στο στρεφόμενο σύστημα d-q. Έπειτα το σφάλμα της από το μηδέν εισάγεται σε έναν PI ελεγκτή από όπου προκύπτει η συχνότητα του φορτίου και με την ολοκλήρωση της η γωνία του. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται το λειτουργικό διάγραμμα του PLL. Σχήμα 2.13 Λειτουργικό διάγραμμα PLL 30 2.4.3.2 PI ελεγκτής τάσης Σκοπός του PI ελεγκτή τάσης είναι να διατηρήσουμε σταθερή την τάση του φορτίου μέσω του ελέγχου της συνεχούς τάσης την οποία πήραμε από το PLL. Η τάση αναφοράς είναι . Η τιμή αυτή είναι η peak τιμή του πλάτους της φασικής τάσης του φορτίου καθώς η rms τιμή που έχουμε επιλέξει είναι . Το σφάλμα των δύο τάσεων εισάγεται στον PI ο οποίος μας δίνει στην έξοδο του την τάση διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας. Σε μια σύγχρονη γεννήτρια η ρύθμιση του πλάτους της τάσης εξόδου και της άεργης ισχύος γίνεται με τη μεταβολή του ρεύματος διέγερσης άρα και της τάσης διέγερσης. Η άεργος ισχύς που παράγει η γεννήτρια καθορίζεται από τις ανάγκες του συστήματος. Επομένως μέσω της καθοδήγησης της τάσης διέγερσης πετυχαίνουμε σταθερό πλάτος της τάσης εξόδου της γεννήτριας. Η σύγχρονη γεννήτρια είναι αυτή που στην ουσία επιβάλλει σταθερή τάση στο φορτίο. Η επιλογή των κερδών του ελεγκτή έγινε με την μέθοδο των δοκιμών και με κριτήριο την γρήγορη δυναμική απόκριση του συστήματος και την βέλτιστη λύση στο πρόβλημα της αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος και της τάσης. Οι τιμές που επιλέξαμε για το αναλογικό και το ολοκληρωτικό κέρδος είναι και . 2.4.3.3 PI ελεγκτής συχνότητας Σκοπός αυτού του ελεγκτή είναι η ρύθμιση της συχνότητας του φορτίου. Η τιμή αναφοράς που επιλέξαμε για τη διάταξη είναι . Το σφάλμα της σύγκρισης της επιθυμητής τιμής και της πραγματικής που πήραμε από το PLL αποτελεί την είσοδο του PI ελεγκτή συχνότητας. Στην έξοδο του ο ελεγκτής μας δίνει την μηχανική ισχύ εισόδου της σύγχρονης γεννήτριας μέσω της οποίας διατηρούμε σταθερή την συχνότητα στην έξοδο της. Η ενεργός ισχύς που αποδίδει η γεννήτρια καθορίζεται από τις ανάγκες του φορτίου. Η επιλογή των κερδών του ελεγκτή έγινε με την μέθοδο των δοκιμών και με κριτήριο την γρήγορη δυναμική απόκριση του συστήματος και την βέλτιστη λύση στο πρόβλημα της αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος και της τάσης. Οι τιμές που επιλέξαμε για το αναλογικό και το ολοκληρωτικό κέρδος είναι και . 31 2.4.3.4 PI ελεγκτής μηχανικής ισχύος Η ισχύς του αντιστροφέα προσδιορίζεται από το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να περάσει από τη διακοπτική γέφυρα. Εμείς θεωρούμε ότι έχουμε γέφυρα 5.4kVA που σημαίνει ότι το ρεύμα του αντιστροφέα δε μπορεί να υπερβαίνει τα =5400/(400*sqrt(3)) προκειμένου να μην υπερθερμανθούν τα IGBT σε κάποια φόρτιση και καταστραφούν. Αυτή είναι η rms τιμή του φασικού ρεύματος. Το ρεύμα Id αναφέρεται στην peak τιμή του ρεύματος οπότε πρέπει να είναι = *sqrt(2)=11 A. Σκοπός αυτού του ελεγκτή είναι ο έλεγχος της μηχανικής ισχύος εισόδου της σύγχρονης γεννήτριας προκειμένου να ρυθμίσουμε την ροή της ισχύος στο σύστημα που σχεδιάσαμε. Η τιμή αναφοράς που επιλέγουμε είναι =0 ώστε το φορτίο να απορροφά όλη την διαθέσιμη ισχύ του αντιστροφέα και αν δεν επαρκεί τότε να συμπληρώνει η σύγχρονη γεννήτρια προκειμένου να διατηρηθεί το ενεργειακό ισοζύγιο. Ο ελεγκτής δέχεται ως είσοδο το σφάλμα των δύο τιμών και μας δίνει στην έξοδο του το ρεύμα αναοράς . Το ρεύμα αυτό πριν την εξοδό του εισάγεται σε έναν περιοριστή ώστε να μην ξεπεράσει την μέγιστη τιμή που επιτρέπεται να πάρει και η οποία υπολογίστηκε παραπάνω =11 A. Η επιλογή των κερδών του ελεγκτή έγινε με την μέθοδο των δοκιμών και με κριτήριο την γρήγορη δυναμική απόκριση του συστήματος και την βέλτιστη λύση στο πρόβλημα της αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος και της τάσης. Οι τιμές που επιλέξαμε για το αναλογικό και το ολοκληρωτικό κέρδος είναι και . 2.4.3.5 Μετασχηματισμός d-q Στο μπλοκ του μετασχηματισμού d-q παράγονται τα ημιτονοειδή ρεύματα αναφοράς που είναι απαραίτητα για τη δέλτα διαμόρφωση. Τα ρεύματα αυτά παράγονται μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού των ρευμάτων αναφοράς και από το στρεφόμενο σύστημα με την συχνότητα του φορτίου στο τριφασικό, στο μπλοκ dq0-abc. Απαραίτητο μέγεθος για να γίνει ο αντίστροφος μετασχηματισμός είναι η γωνία του φορτίου η οποία υπολογίστηκε στο βρόχο κλειδωμένης φάσης PLL. Το ρεύμα το δίνει στην έξοδο του ο PI ελεγκτής μηχανικής ισχύος. Το αποτελεί την ενεργό συνιστώσα του ρεύματος του αντιστροφέα καθώς η ενεργός ισχύς του στο d-q σύστημα είναι = + όπου =0 από το μηδενισμό που κάνουμε στο PLL. Την άεργο συνιστώσα του ρεύματος του αντιστροφέα την θέτουμε ίση με μηδέν έτσι ώστε το σύστημα να έχει μηδενικό συντελεστή ισχύος ( = + , =0). 32 2.4.4 LCL Φίλτρο Στην έξοδο του αντιστροφέα συνδέουμε ένα LCL φίλτρο με στόχο την εξομάλυνση της τάσης και την μείωση της κυμάτωσης του ρεύματος. Σε σύγκριση με ένα φίλτρο που αποτελείται απλώς από μια αυτεπαγωγή, το LCL φίλτρο είναι μικρότερο, πιο φτηνό, δε μειώνει την δυναμική απόκριση του συστήματος και μπορεί να σχεδιαστεί με μικρότερα στοιχεία. Το LCL φίλτρο παρουσιάζει πολύ γρήγορη απόσβεση στην κυμάτωση ακόμα και για μικρές αυτεπαγωγές. Ωστόσο έχει το μειονέκτημα ότι σε κάποιες περιπτώσεις παρουσιάζει το φαινόμενο του συντονισμού το οποίο προκαλεί αστάθεια στο κύκλωμα. Το πρόβλημα αυτό επιλύεται με την σύνδεση μιας αντίστασης παράλληλα με τον πυκνωτή του φίλτρου. Η μέθοδος αυτή λέγεται παθητική απόσβεση. Αν και έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως αξιοπιστία και απλότητα, έχει το μειονέκτημα ότι αυξάνει τις ωμικές απώλειες, το οποίο οδηγεί σε περεταίρω κόστος για το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός συστήματος ψύξης. Η επιλογή των τιμών του φίλτρου έγινε με βάση τα εξής κριτήρια: 1. Η τιμή του πυκνωτή περιορίζεται από τη μέγιστη ανεκτή μείωση του συντελεστή ισχύος στην ονομαστική λειτουργία με όριο 5% 2. Η συνολική τιμή της αυτεπαγωγής θα πρέπει να είναι το πολύ ίση με το 10% της σύνθετης αντίστασης βάσης του συστήματος ώστε η πτώση τάσης να είναι μικρή. 3. Κατά την επιλογή της αντίστασης θα πρέπει να υπάρξει ένας συμβιβασμός μεταξύ της απαραίτητης απόσβεσης και των απωλειών του συστήματος Οι τιμές που επιλέχθηκαν για τα στοιχεία του LCL είναι οι εξής: L=9.26mΗ C=5.47Μf R=10Ω Η συνολική αυτεπαγωγή μοιράστηκε στην πλευρά του αντιστροφέα και στην πλευρά του φορτίου σε δύο ίσες αυτεπαγωγές με . 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΕΙΩΣΗΣ Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορες περιπτώσεις φορτίου, ταχύτητας ανέμου και επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας. Ακόμη εξετάζεται η απόκριση του συστήματος σε απότομες μεταβολές φορτίου, ανέμου αλλά και του συνδυασμού τους. Στο σύστημα μας η ανεμοτουρμπίνα θεωρείται αρχικά ακίνητη ενώ ο πυκνωτής στο DC δίαυλο φορτισμένος στο επίπεδο των 700V. Σε όλες τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν η γωνία κλίσης των πτερυγίων ισούται με μηδέν ( ) έτσι ώστε να έχουμε τη μέγιστη ισχύ εξόδου της ανεμοτουρμπίνας. Τα διαγράμματα που θα παρουσιαστούν είναι η συχνότητα του φορτίου(frequency), η τάση και το ρεύμα του φορτίου(V_load, I_load), η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος του φορτίου(V_THD, I_THD), η συνεχής τάση στο DC δίαυλο(Vdc) και η ενεργός συνιστώσα της τάσης του φορτίου(Vd). Επίσης η ενεργός ισχύς του φορτίου(Pload), της σύγχρονης γεννήτριας(Psgen), του αντιστροφέα(Pinv), της μπαταρίας(Pbat) και της ασύγχρονης γεννήτριας(Pasgen). Το ρεύμα της μπαταρίας(I_bat).Η άεργος ισχύς του φορτίου(Qload), της σύγχρονης γεννήτριας(Qsgen) και του σημείου κοινής σύνδεσης στην έξοδο του LCL φίλτρου (Qpcc). Τέλος το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας(SOC), και η ταχύτητα του δρομέα της σύγχρονης γεννήτριας(wm). 34 Α) Λειτουργία υπό σταθερές συνθήκες Α.1) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=10m/s, φορτίο P=5000W, Q=2500kVAr και SOC=80% 35 36 37 Παρατηρήσεις: Από το διάγραμμα της Vdc βλέπουμε ότι η συνεχής τάση του DC διαύλου ισορροπεί και παραμένει σταθερή στην επιθυμητή τιμή των 700V στα 0.4 sec ενώ η συνεχής συνιστώσα της τάσης του φορτίου Vd προκύπτει 325V όπως αναμέναμε. Παρατηρούμε ότι το ρεύμα της μπαταρίας ισσορροπεί και αυτό περίπου στα 0.4 sec. Μάλιστα είναι θετικό καθώς η μπαταρία προσφέρει στο σύστημα 1.2kW αφού η διαθέσιμη ισχύς του ανέμου δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου και το επίπεδο φόρτισης της όπως φαίνεται και από το διάγραμμα του SOC μειώνεται. Η ηλεκτρική ισχύς της ασύγχρονης γεννήτριας παίρνει αρχικά μια αρνητική τιμή, δηλαδή λειτουργεί σαν κινητήρας, προσπαθώντας να υπερνικήσει τη ροπή αδράνειας και να επιταχυνθεί και στη συνέχεια δίνει 3.5kW. Η σύγχρονη γεννήτρια κατά την εκκκίνηση της δίνει ένα μεγάλο ποσό ενέργειας και εν συνεχεία σταθεροποιείται προσφέροντας 500W για την κάλυψη του ενεργειακού ισοζυγίου του συστήματος, λειτουργώντας στις 157rpm, ενώ καλύπτει και το μεγαλύτερος ποσοστό άεργου ισχύος του φορτίου δίνοντας 2.1kVAr. Συνεπώς οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 200W. Η συχνότητα και η τάση του φορτίου παρατηρούμε ότι ισορροπούν στις επιθυμητές τιμές. Στα διαγράμματα της τάσης και του ρεύματος του φορτίου επιλέξαμε να παραθέσουμε ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο έτσι ώστε να φανεί πως είναι η μορφή τους κατά την εκκίνηση και πως στην συνέχεια ισορροπούν στην επιθυμητή τιμή. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος στο φορτίο μετά την πάροδο του αρχικού μεταβατικού φαινομένου ισορροπούν περίπου στο 4% ενώ βλέπουμε ότι παρουσιάζουν μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτήν την τιμή. 38 Α.2) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=10m/s, φορτίο P=1500W, Q=500VAr και SOC=80% 39 40 41 Παρατηρήσεις: Από το διάγραμμα της Vdc βλέπουμε ότι η συνεχής τάση του DC διαύλου ισορροπεί και παραμένει σταθερή στην επιθυμητή τιμή των 700V όπως και η συνεχής συνιστώσα της τάσης του φορτίου Vd στα 325V. Η διαθέσιμη ισχύς του ανέμου επαρκεί για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του φορτίου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το ρεύμα της μπαταρίας να είναι αρνητικό καθώς απορροφά 1.42kW και το επίπεδο φόρτισης της όπως φαίνεται και από το διάγραμμα του SOC αυξάνεται. Η ασύγχρονη γεννήτρια κατά την εκκίνηση της απορροφά ένα μεγάλο ποσό ενέργειας και εν συνεχεία προσφέρει στο σύστημα 3.5kW. Η σύγχρονη γεννήτρια δεν προσφέρει ενεργό ισχύ στο φορτίο με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μια αρνητική ισχύ περίπου 220W για την κάλυψη των τριβών της ενώ παράλληλα δίνει στο φορτίο 180VAr. Οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 360W. Η συχνότητα και η τάση του φορτίου ισορροπούν στις επιθυμητές τιμές. ‘Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση στα διαγράμματα της τάσης και του ρεύματος του φορτίου επιλέξαμε να παραθέσουμε ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο έτσι ώστε να φανεί πως είναι η μορφή τους κατά την εκκίνηση και πως στην συνέχεια ισορροπούν στην επιθυμητή τιμή. Εξαιτίας του μικρού φορτίου παρατηρούμε ότι η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος είναι αυξημένες σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση και φτάνουν περίπου στο 8.5% παρουσιάζοντας μεγαλύτερη ταλάντωση γύρω από αυτήν την τιμή. 42 Α.3) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=6m/s, φορτίο P=5000W, Q=1500VAr και SOC=80% 43 44 45 Παρατηρήσεις: Σε αυτή την περίπτωση παρά το χαμηλό άνεμο παρατηρούμε ότι η απόκριση του συστήματος παραμένει πολύ ικανοποιητική. Η συνεχής τάση του DC διαύλου καθυστερεί λίγο να ισορροπήσει και σταθεροποιείται στην επιθυμητή τιμή των 700V στα 1.2sec. Παρόλα αυτά βλέπουμε ότι η συνεχής συνιστώσα της τάσης του φορτίου Vd ισορροπεί στα 325V εξαιτίας της παρουσίας της σύγχρονης γεννήτριας. Λόγω του χαμηλού ανέμου η μπαταρία προσφέρει στο σύστημα 4.15kW και το επίπεδο φόρτισης της όπως φαίνεται και από το διάγραμμα του SOC μειώνεται. Η ηλεκτρική ισχύς της ασύγχρονης γεννήτριας είναι περίπου 750W μετά την εκκίνηση της. Η σύγχρονη γεννήτρια προσφέρει 500W λειτουργώντας στις 157 rpm. Συνεπώς οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 400W. Η συχνότητα και η τάση του φορτίου ισορροπούν στις επιθυμητές τιμές. Σε αυτή την περίπτωση όπως και στις προηγούμενες στα διαγράμματα της τάσης και του ρεύματος του φορτίου επιλέξαμε να παραθέσουμε ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο έτσι ώστε να φανεί πως είναι η μορφή τους κατά την εκκίνηση και πως στην συνέχεια ισορροπούν στην επιθυμητή τιμή. Βλέπουμε ότι η αύξηση του φορτίου είχε σαν αποτέλεσμα την μείωση της αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης και του ρεύματος οι οποίες προκύπτουν περίπου 4% ενώ παρουσιάζουν μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτήν την τιμή όπως και πριν. 46 Α.4) Λειτουργία χωρίς άνεμο vw=0m/s, φορτίο P=5000W, Q=1500VAr και SOC=80% 47 48 49 Παρατηρήσεις: Σε περίπτωση άπνοιας βλέπουμε ότι η απόκριση του συστήματος είναι πολύ καλή ενώ η μπαταρία είναι αυτή που καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος των απαιτήσεων του φορτίου δίνοντας 5050W. Το ρεύμα της μπαταρίας είναι θετικό και το επίπεδο φόρτισης της μειώνεται καθώς τροφοδοτεί με ισχύ το κύκλωμα. Η σύγχρονη γεννήτρια όπως φαίνεται και από το διάγραμμα παρέχει 500W λειτουργώντας περίπου στις 157rpm. Άρα οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 50W. Η συχνότητα και η τάση του φορτίου ισορροπούν στις επιθυμητές τιμές. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος προκύπτουν περίπου 4% ενώ παρουσιάζουν μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτήν την τιμή. 50 Β) Λειτουργία υπό μεταβλητές συνθήκες Β.1) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=10m/s και μεταβολή φορτίου από P=5000W-Q=1500VAr σε P=1500W-Q=500VAr όταν t=1.5sec,SOC=80% 51 52 53 Παρατηρήσεις: Από τα παραπάνω διαγράμματα βλέπουμε ότι το σύστημα μας παραμένει ακλόνητο για ακραίες μεταβολές φορτίου. Παρατηρούμε ότι τη χρονική στιγμή t=1.5sec που γίνεται η μετάβαση στο φορτίο από P=5000W Q=1500VAr σε P=1500W Q=500VAr παρουσιάζεται ένα μεταβατικό φαινόμενο το οποίο πολύ γρήγορα αποσβήνεται και το σύστημα ισορροπεί και πάλι στη νέα κατάσταση. Η ασύγχρονη γεννήτρια κατά την εκκίνηση της απορροφά ένα μεγάλο ποσό ενέργειας και στη συνέχεια δίνει 3500W. Το ρεύμα της μπαταρίας αρχικά είναι θετικό ενώ μετά την μετάβαση του φορτίου γίνεται αρνητικό καθώς η μπαταρία αρχικά δίνει 1200W και στη συνέχεια φορτίζεται απορροφώντας 1400W. Η σύγχρονη γεννήτρια στην αρχή προσφέρει 500W και στη συνέχεια παρουσιάζει αρνητική ενέργεια περίπου 250W εξαιτίας των τριβών της ενώ από το διάγραμμα της ταχύτητας της παρατηρούμε ότι τη στιγμή της μετάβασης παρουσιάζει μια μικρή ταλάντωση και στη συνέχεια ισορροπεί και πάλι. Οι απώλειες της διάταξης είναι αντίστοιχα 200W και 350W σε κάθε περίπτωση. Η συχνότητα τη στιγμή της μετάβασης παρουσιάζει ένα μεταβατικό φαινόμενο το οποίο πολύ γρήγορα αποσβήνεται και ισορροπεί και πάλι στη νέα κατάσταση όπως και η τάση του φορτίου. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος είναι περίπου 4% αρχικά και όταν το φορτίο μειώνεται αυξάνονται ισορροπώντας περίπου στο 8.5% παρουσιάζοντας μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτές τις τιμές. Στο διάγραμμα της τάσης και του ρεύματος του φορτίου φαίνεται ξεκάθαρα η στιγμή κατά την οποία γίνεται η μετάβαση, παρατηρώντας μια μείωση στην τιμή του ρεύματος. 54 Β.2) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=5m/s και μεταβολή φορτίου από P=1000WQ=250VAr σε P=4000W-Q=1000VAr όταν t=1.5sec,SOC=80% 55 56 57 Παρατηρήσεις: Παρατηρούμε ότι ακόμη και σε απότομη αύξηση φορτίου με χαμηλό άνεμο το σύστημα μας παραμένει και πάλι ακλόνητο. Η ασύγχρονη γεννήτρια κατά την εκκίνηση της απορροφά ένα μεγάλο ποσό ενέργειας και στη συνέχεια δίνει περίπου 460W. Το ρεύμα της μπαταρίας είναι θετικό καθώς αρχικά δίνει 900W και μετά την αύξηση του φορτίου προσφέρει στο σύστημα περίπου 4200W. Η σύγχρονη γεννήτρια δεν συμμετέχει καθόλου στη κάλυψη των απαιτήσεων του φορτίου και απορροφά περίπου 220W για την κάλυψη των τριβών της ενώ από το διάγραμμα της ταχύτητας της παρατηρούμε ότι τη στιγμή της μετάβασης παρουσιάζει μια μικρή ταλάντωση και στη συνέχεια ισορροπεί και πάλι. Επομένως οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 140W αρχικά και 240W στην νέα κατάσταση. Η συχνότητα τη στιγμή της μετάβασης παρουσιάζει ένα μεταβατικό φαινόμενο το οποίο πολύ γρήγορα αποσβήνεται και ισορροπεί και πάλι στη νέα κατάσταση όπως και η τάση του φορτίου. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος είναι περίπου 8.5% αρχικά και όταν το φορτίο αυξάνεται μειώνονται ισορροπώντας περίπου στο 8.5% παρουσιάζοντας μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτές τις τιμές. Στο διάγραμμα της τάσης και του ρεύματος του φορτίου φαίνεται ξεκάθαρα η στιγμή κατά την οποία γίνεται η μετάβαση, παρατηρώντας μια αύξηση στην τιμή του ρεύματος. 58 Β.3) Λειτουργία με μεταβλητό άνεμο από vw=11m/s σε vw=6m/s και φορτίο P=3000W-Q=1500VAr όταν t=1.5sec,SOC=80% 59 60 61 Παρατηρήσεις: Το σύστημα μας βλέπουμε ότι παρουσιάζει ακλόνητη συμπεριφορά ακόμη και στην απότομη μεταβολή ανέμου με σταθερό φορτίο. Η ασύγχρονη γεννήτρια αρχικά δίνει 4800W και στην συνέχεια μετά την μεταβολή του ανέμου η ισχύς της πέφτει στα 770W. Η μπαταρία παρουσιάζει αρχικά αρνητικό ρεύμα καθώς φορτίζεται απορροφώντας 1350W περίπου και στη συνέχεια το ρεύμα της γίνεται θετικό καθώς προσφέρει 2800W. Η σύγχρονη γεννήτρια δεν συμμετέχει καθόλου στη κάλυψη των απαιτήσεων του φορτίου και απορροφά 220W για την κάλυψη των τριβών της. Επομένως οι συνολικές απώλειες της διάταξης είναι 280W αρχικά και 350W στην νέα κατάσταση. Η τάση και η συχνότητα παραμένουν σταθερές όπως φαίνεται στα διαγράμματα τους. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος του φορτίου μετά το αρχικό μεταβατικό φαινόμενο προκύπτουν περίπου 6% παρουσιάζοντας μια ταλάντωση γύρω από αυτή την τιμή. 62 Β.4) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=10m/s, φορτίο P=1500W-Q=500VAr και SOC=98.99% 63 64 65 Παρατηρήσεις: Για να προστατέψουμε τη μπαταρία από υπερφόρτιση, τη χρονική στιγμή t=1.15s που το SOC ισούται με 99% ενεργοποιείται το chopper το οποίο απορροφά την περίσσεια ενέργεια. Το ρεύμα φόρτισης της μπαταρίας μηδενίζεται, έτσι ώστε το επίπεδο φόρτισής της να μη ξεπεράσει το 99% και να αποφευχθεί η υπερφόρτισή της. Η περίσσεια ενέργεια καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση διάχυσης και εκλύεται ως θερμότητα στο περιβάλλον (φαινόμενο Joule). Η τάση το ρεύμα και η συχνότητα του φορτίου όπως φαίνεται από τα διαγράμματα παραμένουν σταθερά. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος προκύπτουν περίπου 8%. 66 Β.5) Λειτουργία με σταθερό άνεμο vw=10m/s, φορτίο P=5000W-Q=2000VAr και SOC=20.03% 67 68 69 Παρατηρήσεις: Για να προστατέψουμε τη μπαταρία από βαθιές εκφορτίσεις, γεγονός που μειώνει τη διάρκεια ζωής τους, το κύκλωμα ελέγχου κάνει απόρριψη φορτίου όταν το SOC της μπαταρίας πέσει κάτω από 20%. Σύμφωνα με τα παραπάνω διαγράμματα τη χρονική στιγμή 1,05sec το ρελαί του τριφασικού διακόπτη διεγείρεται και βγάζει εκτός το φορτίο. Το ρεύμα της μπαταρίας μετά την απόρριψη δε μηδενίζεται, αλλά παίρνει μια μικρή τιμή το οποίο οφείλεται στις απώλειες τις διάταξης και στην ενέργεια που καταναλώνει η σύγχρονη γεννήτρια εξαιτίας των τριβών της. Παρατηρούμε ότι το σύστημα αποκρίνεται ευσταθώς στην τροφοδότηση του μέγιστου φορτίου ακόμα και για την ακραία τιμή του SOC. Η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος όταν το φορτίο είναι εντός, προκύπτει περίπου 4%. 70 Β.6) Λειτουργία με προφίλ ανέμου και μεταβλητό φορτίο, SOC=80% Για να ελέγξουμε καλύτερα την απόκριση του συστήματος προσομοιώνουμε το μοντέλο σε ένα προφίλ ανέμου(VW) με συνεχείς μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου σε χρόνο προσομοίωσης 95.5sec το οποίο παρουσιάζεται παρακάτω. Στην έξοδο της διάταξης συνδέσαμε παράλληλα διάφορα φορτία ρυθμίζοντας το transition time του καθενός έτσι ώστε κάθε 15sec να έχουμε διαφορετικό επίπεδο φορτίου. 71 72 73 Παρατηρήσεις: Παρατηρούμε ότι το σύστημα παραμένει ακλόνητο και είναι ικανό να προσαρμόσει τη λειτουργία του σε κάθε μεταβολή φορτίου η ανέμου. Από τα παραπάνω διαγράμματα γίνεται φανερό ότι λόγω της συνεχούς αλλαγής στην ταχύτητα του ανέμου παρουσιάζεται μια μικρή ταλάντωση σε όλα τα μεγέθη του συστήματος. Βλέπουμε επίσης ότι σε κάθε μετάβαση του φορτίου παρουσιάζεται ένα μεταβατικό φαινόμενο το οποίο πολύ γρήγορα αποσβήνεται και το σύστημα ισορροπεί στην νέα του κατάσταση. 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε ένα μοντέλο αυτόνομου συστήματος που περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια, μπαταρία και σύγχρονη γεννήτρια και μελετήθηκε η συμπεριφορά του τόσο υπό σταθερές όσο και υπό μεταβλητές συνθήκες. Στόχος της εργασίας ήταν η αδιάλειπτη τροφοδοσία ενός τριφασικού φορτίου με σταθερή φασική τάση 230V και συχνότητα 50Hz με την μικρότερη δυνατή έγχυση αρμονικών σε αυτό. Το μοντέλο αποτελείται από τρία μέρη. Το σύστημα ανόρθωσης, το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης και το σύστημα αντιστροφής. Αρχικά μας δόθηκε το μοντέλο της ανεμογεννήτριας με την ανορθωτική γέφυρα και το σύστημα των μονάδων αποθήκευσης το οποία ρυθμίσαμε και στη συνέχεια σχεδιάσαμε το σύστημα ελέγχου του αντιστροφέα με τη σύγχρονη γεννήτρια. Στην πορεία της εργασίας συνδυάστηκαν τα επιμέρους τμήματα και έγινε η ρύθμιση των κερδών των PI ελεγκτών και του LCL φίλτρου. Η επιλογή των κερδών έγινε με τη μέθοδο των συνεχών δοκιμών. Σκοπός της σχεδίασης ήταν η γρήγορη δυναμική απόκριση και ευστάθεια του συστήματος και ο περιορισμός στο ελάχιστο των απωλειών. Τέλος έγινε η προσομοίωση του μοντέλου με το Matlab/Simulink και εξετάστηκε η απόκριση του συστήματος σε μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου και του ηλεκτρικού φορτίου στην έξοδο. Διαπιστώθηκε ότι το σύστημα είναι ικανό να αντιμετωπίσει και να προσαρμόσει τη λειτουργία του σε οποιεσδήποτε νέες συνθήκες του επιβάλλονται είτε αυτές αφορούν την ταχύτητα του ανέμου είτε αλλαγές στο φορτίο. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έγινε φανερό ότι η σύγχρονη γεννήτρια ανταποκρινόταν άμεσα στις απαιτήσεις του συστήματος σε όλες τις καταστάσεις. Διαπιστώθηκε ότι η ρύθμιση του κυκλώματος ελέγχου έτσι ώστε μέσω του ελέγχου των δύο εισόδων της σύγχρονης γεννήτριας, της μηχανικής ισχύος και της τάσης διέγερσης, αυτή να διατηρεί σταθερή τάση και συχνότητα στο φορτίο και να παρέχει την απαραίτητη ισχύ που απαιτείται όταν δεν επαρκεί η διαθέσιμη ισχύς του ανέμου και της μπαταρίας για την κάλυψη των αναγκών του φορτίου επιτεύχθηκε. Η μπαταρία όπως φάνηκε από τις περιπτώσεις που εξετάσαμε ανταποκρινόταν και αυτή άμεσα στις ενεργειακές απαιτήσεις του φορτίου και ανάλογα με τις απαιτήσεις που υπήρχαν σε ισχύ και το επίπεδο του ανέμου πρόσφερε η απορροφούσε ισχύ κάθε φορά. Επίσης αποκλείσαμε την εμφάνιση πολύ μεγάλων ρευμάτων στην μπαταρία τόσο κατά την εκκίνηση του συστήματος όσο και στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας τα οποία μπορούν να προκαλέσουν ακόμη και καταστροφή της. Τέλος φάνηκε ότι το σύστημα ανταποκρίθηκε σωστά ακόμη και στις ακραίες περιπτώσεις έτσι ώστε να προστατέψει την μπαταρία από βαθιές εκφορτίσεις γεγονός που μειώνει την διάρκεια ζωής της. 75 Τέλος το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε στην πορεία της εργασίας ήταν αυτό της έγχυσης αρμονικών στο φορτίο. Όπως διαπιστώθηκε από τα διαγράμματα της αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης και του ρεύματος στο φορτίο στις περιπτώσεις όπου είχαμε μεγάλο φορτίο η παραμόρφωση βρισκόταν σε πολύ ικανοποιητικά επίπεδα. Καθώς πηγαίναμε σε μικρότερα φορτία διαπιστώσαμε ότι η αρμονική παραμόρφωση αυξανόταν κάτι που ήταν αναμενόμενο εξαιτίας του γεγονότος ότι το σύστημα μας είναι αυτόνομο. Μέσα από τη ρύθμιση του LCL φίλτρου και τον επαναπροσδιορισμό των κερδών των PI ελεγκτών προσπαθήσαμε να πετύχουμε τη βέλτιστη λύση για την αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος. 76 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Χρήστος Α. Μαδεμλής, «Σερβοκινητήρια Συστήματα», Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη 2010 [2] Stephen J. Chapman, «Ηλεκτρικές Μηχανές AC-DC», Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη2003 [3] Ned Mohan, Tore A. Undeland, William P. Robbins, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη 1996 [4] Μπλώνης Κωνσταντίνος, Παπακώστας Χαρίλαος, «Σχεδιασμός μοντέλου προσομοίωσης αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια σε αυτόνομη λειτουργία», Θεσσαλονίκη 2010 [5] Κωνσταντίνος Α. Τσιφούτης, «Εφαρμογή τεχνικής διαμόρφωσης διανύσματος χώρου στη διασύνδεση ανεμογεννητριών μικρής ισχύος στο δίκτυο», Θεσσαλονίκη 2011 [6] Κωνσταντίνος Σ. Σούτης, «Ανάλυση συστήματος ελέγχου ανεμογεννήτριας με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών σε αυτόνομη και διασυνδεδεμένη λειτουργία», Αθήνα 2004 [7] Μανωλόπουλος Χαράλαμπος, «Τεχνικές εκκίνησης αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια και διασύνδεση στο δίκτυο», Θεσσαλονίκη 2011 [8] Παντελή Ματθαίος, Πάτσαλη Κωνσταντίνος, «Σχεδιασμός συστήματος ελέγχου για την παραγωγή μέγιστης ισχύος από αιολικά συστήματα», Θεσσαλονίκη 2009 [9] Matlab user manual [10] Smart Draw 2013 77 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 78 Powered by GP 121000 GP 121000 is a general purpose battery up to 5 years in standby service or more than 260 cycles at 100% discharge in cycle service. As with all CSB batteries, all are rechargeable, highly efficient, leak proof and maintenance free. Specification Cells Per Unit Voltage Per Unit Capacity Weight Maximum Discharge Current Internal Resistance Operating Temperature Range Nominal Operating Temperature Range Float Charging Voltage Recommended Maximum Charging Current Limit Equalization and Cycle Service Self Discharge Terminal Container Material Dimensions : Unit: mm (inch) 12V 100Ah 6 12 100Ah@ 20hr-rate to 1.75V per cell @25°C (77°F) Approx. 31.2 kg(68.78 lbs) 800A(5sec) Approx. 4.5 mΩ Discharge: -15°C~50°C ( 5°F~122°F) Charge: -15°C~40°C ( 5°F~104°F) Storage: -15°C~40°C ( 5°F~104°F) 25°C±3°C (77°F±5°F) 13.5 to 13.8 VDC/unit Average at 25°C (77°F) 30A 14.4 to 15.0 VDC/unit Average at 25°C (77°F) CSB Batteries can be stored for more than 6 months at 25°C (77°F). Please charge batteries before using. For higher temperatures the time interval will be shorter. CSB-manufactured VRLA batteries are ULrecognized components under UL1989. I2-Thread lead alloy recessed terminal to accept M6/M8 bolt Polypropylene(UL 94-HB) & Flammability resistance of (UL 94-V0) can be available upon request. CSB is also certified by ISO 9001 and ISO 14001. Overall Height (H) 217.3±2.5 (8.56±0.10) Container height (h) 213.9±2.5 (8.42±0.10) Length (L) Width (W) 343.0±2.5 . (13.50±0.10) 170.0±2.0 (6.69±0.08) Constant Current Discharge Characteristics F.V/Time 1.60V 1.67V 1.70V 1.75V 1.80V 1.85V 5MIN 372 326 315 286 241 202 10MIN 257 242 234 213 192 165 15MIN 197 187 183 175 157 135 30MIN 121 117 116 113 105 96.8 60MIN 70.1 68.8 68.1 66.8 65.4 62.5 90MIN 50.4 49.5 49.1 48.3 47.3 46.0 2HR 39.9 39.2 38.9 38.4 37.6 36.6 3HR 29.0 28.6 28.4 27.9 27.3 26.5 Constant Power Discharge Characteristics F.V/Time 1.60V 1.67V 1.70V 1.75V 1.80V 1.85V 5MIN 3593 3463 3307 2954 2675 2451 10MIN 2696 2557 2505 2359 2222 1958 15MIN 2223 2094 2036 1931 1815 1610 30MIN 1366 1325 1306 1267 1218 1165 60MIN 802 785 778 763 746 725 90MIN 579 569 564 553 542 528 2HR 459 453 449 441 432 422 Unit:A (25°C,77°F) 5HR 18.6 18.3 18.2 17.9 17.5 17.1 8HR 12.3 12.1 12.0 11.8 11.5 11.2 10HR 10.1 9.94 9.86 9.72 9.59 9.24 20HR 5.26 5.23 5.20 5.10 5.00 4.80 Unit:W (25°C,77°F) 3HR 335 328 325 320 313 306 5HR 216 213 211 208 203 198 8HR 143 141 140 138 135 132 10HR 117 115 114 113 111 109 20HR 61.1 60.5 60.0 59.5 58.9 56.6 Ratings presented herein are subject to revision without notice. Please refer to www.csb-battery.com to confirm the latest version. RA1308 12V 100Ah GP121000 140 0.20 2.60 120 0.17 2.40 100 0.14 2.20 80 0.11 2.00 60 0.08 1.80 40 0.05 1.60 20 0.02 1.40 0 140 0.20 2.60 120 0.17 2.40 100 0.14 2.20 80 0.11 2.00 60 0.08 1.80 40 0.05 1.60 20 0.02 1.40 0 Application )Ratio 13.65V (2.275V/Cell) 4 8 12 16 20 24 68 )Ratio 4 8 12 16 Charge Voltage(V/Cell) Set Point Allowable Range Cycle Use Temperature 25 (77 ) 2.45 2.40~2.50 Standby 25 (77 ) 2.275 2.25~2.30 GLOBAL HQ CSB BATTERY CO., LTD. (TAIWAN) Tel : +886-2-2880-5600 Fax : +886-2-2888-3300 mail : [email protected] BEIJING OFFICE. (CHINA) CSB BATTERY TECHNOLOGIES (BEIJING) CO., LTD. Tel : +86-10-5820-5336/5338 Fax : +86-10-58203053 mail : [email protected] 20 24 Max.Charge Current Final Discharge Voltage V/Cell 1.75 1.70 1.60 1.30 0.3C Discharge Current(A) 0.2C>(A) 0.2C<(A)<0.5C 0.5C<(A)<1.0C (A)>1.0C AMERICA HQ CSB BATTERY TECHNOLOGIES INC. (U.S.A) Tel : +1-817-244-7777/1-(800)3-CSB-USA(272872) Fax : +1-817-244-4445 mail : [email protected] SHANGHAI OFFICE. (CHINA) CSB BATTERY LOGISTIC (SHANGHAI) CO., LTD. Tel : +86-21-5046-1622/5046-0833 Fax : +86-21-5064-1046 mail : [email protected] EUROPE HQ CSB Battery Europe BV. Tel : +31(0)-180-418-140 Fax : +31(0)-180-418-327 mail : [email protected] SHENZHEN OFFICE.( CHINA ) CSB BATTERY LOGISTIC ( SHANGHAI ) CO., LTD. Tel : +86-755-8831-6488/6396/6356 Fax : +86-755-8831-6548 mail : [email protected]
© Copyright 2024 Paperzz
