Διερεύνηση Της Λειτουργικής Συμπεριφοράς Συστήματος Μετατροπής Αιολικής Ενέργειας Σε Ηλεκτρική Αποτελούμενο Από Ασύγχρονη Μηχανή Διπλής Τροφοδοσίας Και Ηλεκτρονικούς Μετατροπείς Ισχύος Σε Δυναμικές Καταστάσεις

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του αιολικού συστήματος με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος κατά τη διάρκεια ισχυρών δυναμικών καταστάσεων. Το κίνητρο για τη διερεύνηση αυτή ήταν η ανάγκη να μελετηθούν και να αναδειχθούν οι συνέπειες αυτών των δυναμικών καταστάσεων τόσο στη λειτουργία και στην υπόσταση του αιολικού συστήματος όσο και στο δίκτυο, στο οποίο είναι συνδεδεμένο αυτό το αιολικό σύστημα. Η λύση σε αυτό το διερευνητικό πρόβλημα οδηγεί σε γνώση που είναι πολύτιμη στον εμπλουτισμό τέτοιων αιολικών συστημάτων με βελτιωμένες ικανότητες επιτήρησης και ελέγχου της λειτουργίας των. Οι δυναμικές καταστάσεις που προσομοιώθηκαν ήταν οι ριπές ανέμου (εξωγενείς παράγοντες), με βηματική μεταβολή και με μορφή ράμπας, τα σφάλματα στα ημιαγωγικά στοιχεία των δύο μετατροπέων, τα σφάλματα στους ακροδέκτες του δρομέα της μηχανής, σφάλματα δικτύου και τέλος σφάλματα στο ζυγό συνεχούς διασύνδεσης (ενδογενείς παράγοντες). Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του συστήματος ελέγχου της γωνίας βήματος πτερυγίου και των παραμέτρων της μηχανής στην απόκριση του αιολικού συστήματος θεωρώντας ένα προφίλ ριπής ανέμου με μορφή ράμπας. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό υλοποιήθηκε ένα σύστημα προστασίας «anti-windup» και εξετάστηκε η επίδραση αυτού στην απόκριση του αιολικού συστήματος κατά την εμφάνιση ριπών ανέμου. Παρατηρήθηκε δε σοβαρή βελτίωση αυτής με εξάλειψη ή μείωση των αιχμών στα ρεύματα του δρομέα και των ταλαντώσεων στη ροπή. Ακόμα, έγινε και μία σύγκριση της απόκρισης του συστήματος με έλεγχο ανοιχτού και κλειστού βρόχου.Το πρωτότυπο στοιχείο της διατριβής είναι: η γνώση που αποκτήθηκε για τη λειτουργική συμπεριφορά αυτών των συστημάτων κάτω από συνθήκες δυναμικών καταστάσεων, προσομοιώνοντας το συνολικό μοντέλο τους, και υπερτερεί εκείνης που είναι γνωστή έως σήμερα.Πιο αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία γενική αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) και στα θέματα που απασχολούν την ερευνητική κοινότητα σχετικά με το σύστημα με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και παρουσιάζονται οι στόχοι της παρούσας διατριβής.Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μία αναλυτική περιγραφή των διαφόρων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, όσον αφορά και τα δύο, το ηλεκτρικό αλλά και το μηχανικό τμήμα των συστημάτων αυτών. Αρχικά, παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες των ανεμοκινητήρων ─ ανάλογα με τον προσανατολισμό τους σε σχέση με τον άνεμο (κατακόρυφου, οριζόντιου άξονα), αλλά και με τη λογική της λειτουργίας των (σταθερών, μεταβλητών στροφών). Στη συνέχεια, περιγράφονται οι διάφορες κατηγορίες μηχανικού ελέγχου των ανεμοκινητήρων (ενεργητικός, παθητικός έλεγχος) και τέλος παρουσιάζονται οι διάφορες τοπολογίες συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική.Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται αναλυτικά οι βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, το οποίο αποτελείται από τη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και έναν μετατροπέα AC/DC/AC. Αρχικά, εξηγείται η βασική αρχή λειτουργίας του συγκεκριμένου συστήματος, βλέποντάς το κυρίως από τη σκοπιά της μετατροπής από μια μορφή ενέργειας στην άλλη, ξεκινώντας από την αιολική και καταλήγοντας στην ηλεκτρική. Ακόμη, γίνεται μία παρουσίαση των βασικών αρχών λειτουργίας (σε μόνιμη κατάσταση) για το κάθε τμήμα του συγκεκριμένου συστήματος (ανεμοκινητήρας, γεννήτρια, ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος) με σκοπό την πλήρη κατανόηση της λειτουργίας του συστήματος αυτού. Επίσης, η κατανόηση της λειτουργίας σε μόνιμη κατάσταση, θα αποτελέσει τη βάση για περεταίρω διερεύνηση όσον αφορά τη συμπεριφορά του σε διάφορα δυναμικά φαινόμενα, τα οποία θα μελετηθούν με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/ Simulinkστο επόμενο κεφάλαιο (κεφάλαιο 4).Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται και αναλύονται τα δυναμικά μοντέλα κάθε τμήματος του συστήματoς μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με χρήση ασύγχρονης γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Επίσης, περιγράφεται και ο τρόπος «κατασκευής» των μοντέλων αυτών στο πρόγραμμα προσομοίωσης που επιλέχθηκε (Matlab/Simulink).Στο κεφάλαιο 5 διερευνάται η λειτουργική συμπεριφορά του αιολικού συστήματος στην υποσύγχρονη λειτουργία, δηλαδή για αριθμό στροφών κάτω από το σύγχρονο αριθμό στροφών με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/Simulink, θεωρώντας την ταχύτητα του ανέμου σταθερή για κάθε προσομοίωση και σύστημα ελέγχου ανοιχτού βρόχου. Οι περιπτώσεις που προσομοιώνονται αφορούν τόσο την υγιή κατάσταση όσο και υπό σφάλματα, όπως ανοιχτοκύκλωμα στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα «back-to-back», πράγμα που μπορεί να αποτελέσει βάση για την ανάπτυξη μίας μεθόδου διάγνωσης, στον κλάδο της συνεχούς διασύνδεσης και σφάλματα στο δίκτυο, όπως μονοφασικό, διφασικό και τριφασικό βραχυκύκλωμα και πτώση της τάσης δικτύου, συμμετρική και ασύμμετρη. Επιπλέον, μελετάται η διαδικασία διασύνδεσης του αιολικού συστήματος με το δίκτυο με χρήση της μεθόδου ανίχνευσης μηδενικού σημείου της τάσης του δικτύου.Στο κεφάλαιο 6 διεξάγεται μία μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς του συνολικού αιολικού συστήματος με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος κατά την εμφάνιση αρκετά δυσμενών και έντονων δυναμικών φαινομένων με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/Simulink. Γίνεται μία ποσοτική και ποιοτική ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις εκάστοτε προσομοιώσεις, προκειμένου να βγουν συμπεράσματα και να αναδειχθούν οι συνέπειες διαφόρων δυναμικών φαινομένων στη λειτουργία του συστήματος αυτού, ειδικά όσον αφορά την ποιότητα ισχύος και πιθανή διακινδύνευση κάποιου τμήματος ─ του μηχανικού ή του ηλεκτρικού μέρους. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι στις προσομοιώσεις που διεξήχθησαν θεωρήθηκε ολόκληρο το αιολικό σύστημα, όπως παρουσιάστηκε στα κεφάλαια 3 και 4, δηλαδή ανεμοκινητήρας, ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας, μετατροπέας «back-to-back» και τα συστήματα ελέγχου του ανεμοκινητήρα ─ έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου και εύρεσης σημείου μέγιστης ισχύος ─ και της παλμοδότησης των μετατροπέων, όπου υλοποιήθηκε διανυσματικός έλεγχος. Τα δυναμικά φαινόμενα, που μελετούνται, αφορούν απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου (ριπές ανέμου), πολύ χαμηλές ταχύτητες ανέμου κοντά στο όριο αναγκαστικής αποσύνδεσης, σφάλματα στα ημιαγωγικά στοιχεία των μετατροπέων, συνδυασμός ριπής και σφάλματος στον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, σφάλματα στο ζυγό συνεχούς διασύνδεσης και στα τυλίγματα του δρομέα. Επίσης, θεωρώντας ένα συγκεκριμένο προφίλ ριπής (το οποίο είναι πιθανό να εμφανιστεί), διεξάγεται μία διερεύνηση της ευαισθησίας του συστήματος ελέγχου της γωνίας του βήματος πτερυγίου η οποία προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του, δηλαδή από την γωνία β και από τον ρυθμό μεταβολής αυτής β ̇. Επιπρόσθετα, διερευνάται η επίδραση της επιλογής των παραμέτρων της μηχανής στην απόκριση του συστήματος κατά τη διάρκεια μίας ριπής με μορφή ράμπας και προσομοιώνεται ένα αιολικό σύστημα μεγαλύτερης ισχύος σε χαρακτηριστικές δυναμικές καταστάσεις. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό υλοποιήθηκε ένα σύστημα προστασίας «anti-windup» και εξετάστηκε η επίδραση αυτού στην απόκριση του αιολικού συστήματος κατά την εμφάνιση ριπών ανέμου. Παρατηρήθηκε δε σοβαρή βελτίωση αυτής με εξάλειψη ή μείωση των αιχμών στα ρεύματα του δρομέα και των ταλαντώσεων στη ροπή.Στο κεφάλαιο 7 γίνεται μία σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την προσομοίωση του συστήματος θεωρώντας την ταχύτητα του ανέμου σταθερή και ανοικτό βρόχο ελέγχου κάτω από φυσιολογικές και μη συνθήκες λειτουργίας με τις αντίστοιχες με κλειστό βρόχο ελέγχου. Επιπλέον, διεξάγεται μία σύγκριση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις του μοντέλου του συνολικού συστήματος κάτω από διάφορες ισχυρές διαταραχές, οι οποίες μπορεί να συμβούν κατά τη λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Τα κριτήρια για την αξιολόγηση αυτή είναι η σοβαρότητα των συνεπειών των διαταραχών αυτών στη λειτουργία και στη διάρκεια ζωής του αιολικού συστήματος, όπως επίσης λαμβάνεται υπόψη και η επίδραση των διαταραχών αυτών στο δίκτυο και στους καταναλωτές.Στο κεφάλαιο 8 παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή και αναφέρονται κάποιες προοπτικές για μελλοντική έρευνα.