Βέλτιστη απορρόφηση ηλεκτρικής ισχύος οικιακής ανεμογεννήτριας

• Κύριος συγγραφέας: Στεφανόπουλος, Χρήστος
• Άλλοι συγγραφείς: Βοβός, Παναγής
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2018
• Θέματα: Ανεμογεννήτριες; Σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη; Έλεγχος "mppt"; Προσομοίωση; Μετατροπέας υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης; Τριφασικός ανορθωτής; Καμπύλη ισχύος; Αλγόριθμος διαταραχής και παρατήρησης; Επεξεργαστής ψηφιακού σήματος (DSP); Ταχεία προτυποποίηση; Wind turbines; Permanent magnet synchronous generator; Maximum power point tracking control; Simulation (Simulink); Buck/boost converter; Three-phase rectifier; Power curve; Perturb and observe algorithm; Digital signal processor (DSP); Rapid prototyping; 621.312 136

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υλοποίηση του ελέγχου για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος μιας τυπικής οικιακής ανεμογεννήτριας, όπως αυτή που βρίσκεται στην οροφή του εργαστηρίου. Για την επίτευξη του είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί η κατάλληλη διάταξη τόσο στο περιβάλλον του εργαστηρίου, όσο και σε περιβάλλον προσομοίωσης μέσω της πλατφόρμας Simulink/Matlab. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από μια σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη που προσομοιώνει πλήρως την ανεμογεννήτρια που βρίσκεται στην οροφή του εργαστηρίου, καθώς συνδέεται με επαγωγικό κινητήρα μέσω του οποίου εξομοιώνεται η μηχανική ροπή και οι στροφές του δρομέα της πραγματικής ανεμογεννήτριας. Οι ακροδέκτες της συνδέονται με τριφασικό ανορθωτή, στη συνέχεια με τον μετατροπέα υποβιβασμού τάσης και τέλος με το ωμικό φορτίο. Στο πρώτο επίπεδο, δημιουργείται το βασικό μοντέλο προσομοίωσης με βάση την πειραματική διάταξη και διαπιστώνεται, μέσω πειραματικών μετρήσεων, η ορθή λειτουργία του. Έπειτα, αναπτύσσεται το μπλοκ του αλγορίθμου που θα πραγματοποιεί τον έλεγχο και εισάγεται στο συνολικό σύστημα. Δέχεται τα μεγέθη ελέγχου του ρεύματος και της τάσης εισόδου του μετατροπέα και ρυθμίζει την παλμοδότησή του μέσω του κύκλου λειτουργίας. Με τη βοήθεια σύνθετων μπλοκ επιτυγχάνεται η προσομοίωση της καμπύλης ισχύος της πραγματικής ανεμογεννήτριας και προσδιορίζεται για μεγάλο εύρος ii τιμών της ταχύτητας του ανέμου η βέλτιστη τιμή του κύκλου λειτουργίας για μέγιστη ισχύ στην έξοδο. Ιδιαίτερα σημαντικό είναι το κομμάτι της εργασίας που εξηγεί τη διαδικασία με την οποία παράγεται ο κώδικας που υλοποιεί το κύκλωμα ελέγχου στον μικροεπεξεργαστή. Η διαδικασία της ταχείας προτυποποίησης διευκολύνει την αντικατάσταση των προσομοιωμένων μεγεθών με πραγματικά. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η μετάβαση του ελέγχου για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος από συνθήκες προσομοίωσης σε συνθήκες πραγματικού χρόνου. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια εισαγωγή του αντικειμένου της εργασίας, του ρόλου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των μικροδικτύων στις σημερινές ανάγκες του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών, οι κύριες εξισώσεις λειτουργίας τους, τα είδη και η ιστορία τους. Στο κεφάλαιο 2, αναλύεται η λειτουργία της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη και παρουσιάζονται τα δύο πειράματα για την εύρεση των ηλεκτρικών μεγεθών της οικιακής ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται ο έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος (mppt). Πιο συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στις τρεις βασικές μεθόδους πραγματοποίησής του και στις διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την υλοποίησή του. Επίσης, επιλέγεται με βάση της ανάγκες της πειραματικής διάταξης ο αλγόριθμος διαταραχής και παρατήρησης (P&O) και περιγράφεται το μοντέλο μέσω του οποίου θα γίνει ο έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 προσομοιώνεται μέσω του Simulink το μοντέλο του ανεμοκινητήρα του εργαστηρίου και το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με τον τριφασικό ανορθωτή. Επιπλέον, τα δύο αυτά μοντέλα συνδέονται για τη δημιουργία του συνολικού συστήματος προσομοίωσης της ανεμογεννήτριας και μέσω πειραμάτων και δοκιμών ελέγχεται η αξιοπιστία του. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται το τελικό μοντέλο του ελέγχου εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος στο Simulink. Αρχικά, γίνεται η προσθήκη του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης στο μοντέλο και ελέγχεται η ορθή λειτουργία του, ενώ στη συνέχεια προστίθεται και το μπλοκ ‘’P&O’’ που υλοποιεί τον αλγόριθμο ελέγχου. Με βάση αυτό το σύστημα πραγματοποιούνται δύο πειράματα, το πρώτο για την προσομοίωση της καμπύλης ισχύος της εργαστηριακής ανεμογεννήτριας και το δεύτερο για τη ρύθμιση των μεγεθών που βελτιστοποιούν την απόκριση του ελέγχου. Στο κεφάλαιο 6 η μέθοδος της ταχείας προτυποποίησης καταφέρνει να μεταφέρει τον αλγόριθμου ελέγχου από την εξομοίωση στο σύστημα πραγματικού χρόνου της διάταξης του εργαστηρίου. Το νέο μοντέλο ελέγχου που δημιουργείται υλοποιείται από το ολοκληρωμένο σύστημα eZdspTM F28335 που περιλαμβάνει μικροεπεξεργαστή σήματος. Μέσω αυτού αντικαθίστανται οι προσομοιωμένες είσοδοι και έξοδοι του μοντέλου με πραγματικές μέσω των κατάλληλων μπλοκ και πραγματοποιούνται τα ίδια πειράματα με αυτά στο κεφάλαιο 5 για να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του συνολικού πραγματικού συστήματος εύρεσης του μέγιστου σημείου ισχύος της ανεμογεννήτριας. Στο κεφάλαιο 7, παρουσιάζονται τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τη διπλωματική εργασία τόσο σε τεχνικό, όσο και σε προσωπικό επίπεδο.