Автореферат на - Технически Университет - София

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯЕЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТФАКУЛТЕТ ЗА ФРЕНСКО ОБУЧЕНИЕ ПО ЕЛЕКТРОИНЖЕНЕРСТВОДОКТОРАНТСКО УЧИЛИЩЕПрофесионално направление: 5.2. Електротехника,електроника и автоматикаУНИВЕРСИТЕТ НА КОРСИКА – ПАСКАЛ ПАОЛИДОКТОРАНТСКО УЧИЛИЩЕ ПО ОКОЛНА СРЕДА И ОБЩЕСТВОUMR CNRS 6134 (SPE)Професионално направление: Енергетикамаг. инж. Людмил СтояновИзследване на различни структури на хибриднисистеми с възобновяеми източници на енергияАвторефератнадисертационен труд за придобиване наобразователната и научна степен „доктор”Ръководители:доц. д-р Владимир Димитров Лазаров, Технически Унивеситет – Софиядоц. д-р Жил Нотон, Университет на Корсика (Франция)Рецензенти:проф. д-р Бруно Франсоа, Екол Сентрал, Лил (Франция)доц. д-р Николай Петров Михайлов, Русенски университет „Ангел КънчевСофия 2011

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от разширен катедрен наученсъвет на катедра „Електрически машини” на Електротехническия факултет към Техническиуниверситет – София на 06.06.2011 г.Дисертантът работи като асистент в катедра „Електрически машини” при Техническиуниверситет – София.Дисертацията съдържа 188 страници, разделени в увод, 4 глави, заключение, анекс ибиблиография. Цитирани са 219 литературни източника. В текста се съдържат 27 таблици и157 фигури.Изследванията от дисертационния труд са намерили отражение в 12 публикации. 4 оттях са в международни списания: Алжир (2007), Канада (2008), Inderscience – IJRET иElsevier- JRE (импакт фактор 2.226) (2010). 4 статии са публикувани в годишници науниверситети: ТУ-София – 3 (2 през 2009 и 1 през 2010) и ХТМУ – 1 (2010). 3 отпубликациите са на конфернции в чужбина: Корсика, Франция (ISEIM 2006), Глазгоу,Шотландия (World Renewable Energy Congress – WREC - X 2008) и Абу Даби, ОАЕ (WorldRenewable Energy Congress – WREC - XI 2010). 1 статия е публикувана на конференция вБългария – Русе (EE&EA 2009)Защитата на дисертационния труд ще се състои на 28.10.2011 г. от 9:30 часа в зала12126, бл. 12 на Технически университет – София на заседание на научно жури за оценка надисертационен труд, назначено със заповед на Ректора на Технически университет – София.- 2 -

Увод и актуалност на проблемаВъзобновяемите източници на енергия (ВИЕ) са обект на повишаващ се интерес впоследните години (Фигура 1). Причини за това се: прогнозираното изчерпване накласическите енергийни ресурси на Земята, неравномерното разпределение наконвенционалните енергийни ресурси, както и неравномерната консумация на енергия иборбата с вредните емисии, причиняващи редица неблагоприятни явления като парниковефект, озонова дупка, глобално затопляне и други. От друга страна ВИЕ има някоинедостатъци, а именно липсата на гарантирана мощност поради променливия характер напървичния ресурс и висока цена на преобразуващите технологии. Все пак използването навъзобновяеми източници ще се разширява поради причините, изтъкнати по-горе, което правиобектът на дисертационния труд особено актуален. Изследванията в настоящиядисертационен труд са по програмата предвидена по Договор за Университетски и НаучноизследователскиКомплекс – ДУНК 01/3.Мощност, GW1801601401201008060402001996199719981999200020012002Година2003200420052006200720082009- 3 -Мощност, GW262422201816141210864201995199619971998199920002001ПрисъединениИзолираниОбщо2002Година2003200420052006200720082009Фигура 1. Развитие на инсталираните мощности ветрогенератори (а) и фотоволтаични инсталации (б) запериода 1996-2009 г.Глава 1 – Състояние на проблема и определяне на задачитепред дисертационния труд1.1. Хибридна системаПроблемът с променливата и негарантирана мощност, изходяща от възобновяемитеизточници на енергия, може да бъде разрешен чрез обогатяване на захранващите източници иформиране на така наречената хибридна система (ХС). Хибридна система с възобновяемиизточници на енергия (ХСВИЕ) е всяка електроенергийна система, състояща се от повечеот един източник, в която има поне един възобновяем. Хибридната система може да съдържазапасяващо устройство. В по-глобален аспект електроенергийната система на дадена държаваможе да се разглежда като хибридна система. В литературното проучване са разгледаниразлични източници от съвременната българска и чуждоезична литература. Обхванати саразлични конфигурации на хибридната система – с и без конвенционален източник на енергия,с и без запасяващо устройство.1.2. Цел и задачи пред дисертациятаВъз основа на направеното литературно проучване може да се установи липсата наразнообразни и пълни изследвания на хибридни системи, състоящи се от вятърни генератории фотоволтаични модули. Освен това в голямата си част, изследваните хибридни системи са смалка мощност. Ето защо пред дисертацията се поставя следната цел – изследването нахибридни системи със средна и голяма мощност, в които участват фотоволтаичнисистеми и ветрогенератори. След анализ на първичния енергиен потенциал на мястото на

инсталиране, да се проучи възможността в състава на хибридната система да се присъединизапасяващо устройство. Провежданите изследвания се осъществят в две направления – бавнои бързо променящи се процеси. За постигане на целта, пред дисертацията се поставятследните задачи:• Създаване на компютърни програми за обработката на входнитеметеорологични данни, въз основа на които се изчислява енергийниятпотенциал на съответното място. Според (Marin, 2005), островите могат да серазглеждат като реална опитна постановка за изследване на хибридни системи.Ето защо в дисертацията ще се използват метеорологични данни от о. Корсика(Франция). Освен това ще се употребят и данни от метеорологични станции вБългария. По този начин се осигурява разнообразие на данните за първичнияенергиен потенциал и може да се направи оценка на влиянието му.• Създаване на метод за оценка на взаимното допълване между първичнияслънчев и вятърен потенциал. Целта е с негова помощ и с помощта напрограмната му реализация, да се прецени възможността за използване нахибридна система, състояща се от ветрогенератори и фотоволтаична инсталация.• Подбор и разработка на подходящи модели за изследване на бавно изменящи сепроцеси и тяхното програмно реализиране.• Създаване на методи за изследването на различни структури хибридни системив бавно изменящи се процеси. Работата да се съсредоточи върху изследванетона ХС с участието на фотоволтаична инсталация и вятърни генератори.Системата да работи в автономен режим или в паралел с електрическата мрежа.Освен това да се направи оценка на възможността за използване и подбор назапасяващо устройство, както и да се изследва системата с негово участие.• Подбор и реализация на модели на елементите от различни конфигурации селектрически машини за изследването на бързо изменящи се процеси. В тазидисертация се поставя задачата за изследването на асинхронен генератор снакъсо съединен ротор, асинхронен генератор с навит ротор с допълнителнисъпротивления и с електронни преобразуватели в роторната верига.• Реализираните модели за изследване на бързо изменящи се процеси да сеприложат при различни преходни режими с цел проверка на тяхнатаустойчивост и отразяването на реалните физичните процеси в конфигурациите сасинхронен генератор с и без електронни преобразуватели.• Реализиране на експериментална постановка, в която да бъдат внедренисъздадените симулационни модели. Получените резултати от нея да се сравнят сизчислителните.Глава 2 – Моделиране на елементи на хибридни системипри изследване в установен режим2.1. УводЗа изследването на работата на възобновяемите източници на енергия, работещисамостоятелно или в хибридните системи, при бавно изменящи се процеси се използватмодели тип „вход-изход”. Те изчисляват произведената мощност от съответния възобновяемизточник на енергия, като използват входящия първичен потенциал, за чието изчисляване сеизползват метеорологични данни, характерни за съответната първична енергия (напримерскорост на вятъра за изчисляване на вятърната енергия).2.2. Първичен енергиен потенциалВ дисертацията за използвани метеорологични данни от различни станции в Българияи Корсика (Франция) за онагледяване на изследванията и оценка на моделите.Метеорологичните станции се намират на приблизително еднаква географска ширина, но сразлични климатични особености. Станциите са: в. Ботев, Варна, н. Калиакра, Кърджали,- 4 -

Плевен, Сандански, София, Чирпан, Аячо, Ерса, Калви, Солензара, Фигари. Последнитестанции са намиращите се в Корсика. Географското положение на използваните места епоказано на Фигура 2.1. Наличните данни са глобална слънчева радиация върху хоризонталнаповърхност (G, W/m 2 ), скорост на вятъра на височина 10 m (V 10 , m/s), температура на околнатасреда (T a , ºC) и атмосферно налягане (p at , Pa). Тези данни са със стъпка един час за периодцяла година.8680 km²110 994 km²ERSACALVIPLEVENKALIAKRAVARNAAJACCIOSOLENZARASOFIAMntBOTEVCHIRPANFIGARISANDANSKIKURDJALIФигура 2.1. Географско положение на избраните станцииМетеорологичните данни, предоставени от станциите, трябва да бъдат преобразувани,тъй като фотоволтаичните модули не са хоризонтално разположени, а ветрогенераторитерядко се намират на височина 10 m. За преобразуването на слънчевата радиация се използвакомбинация от CLIMED2 метода за изчисление на разсеяната радиация за хоризонталнаповърхност G d и метода на Клучер за изчисляването на глобалната радиация върху наклоненаповърхност от хоризонталните разсеяна и глобална радиация. Този подход е представен подолу.1 ви етап: изчисляване на разсеяната хоризонтална радиация за час от глобалната:CLIMED2 методът се състои в намирането на разсеяната част от глобалната радиация fпо (2.3):⎧ f = 0.995 − 0.081MTако MT≤ 0.21⎪23⎨ f = 0.724 + 2.738 MT− 8.32 MT+ 4.967MTако 0.21 < MT≤ 0.76 (2.3)⎪⎩f = 0.180ако MT> 0.76където f=G d /G, а M T е индекс на яснота за часа, който представлява отношението наизмерената глобална радиация за хоризонтална повърхност и радиацията извън атмосферата.2 ри етап: изчисляване на наклонената глобална радиация G b,β от хоризонталнитеглобална и разсеяна радиация.За намирането на G b,β се изчислява първо директно падналата радиация захоризонтална повърхност G b (2.4), а после и самата G b,β (2.5):Gb = G − G d(2.4)cosθGb,β= Gb×(2.5)cosθZкъдето θ и θ z са съответно ъгъл на падане и зенитен ъгъл.За намирането на G r,β се използва (2.6):1G r , β= ρG( 1−cos β )(2.6)2където ρ е коефициент на отражение, най-често взиман за равен на 0.2.- 5 -

За изчисляването на разсеяната съставка, както вече бе казано, се използва методът наКлучер (2.7):⎡ ⎛ ⎛ β ⎞⎞⎤⎡3 ⎛ β ⎞⎤2 3Gd, β= Gd⎢0 . 5⎜1+ cos⎜⎟⎟⎥1 F sin [ 1+F cos ( θ ) sin ( θZ)]2⎢ + ⎜ ⎟2⎥(2.7)⎣ ⎝ ⎝ ⎠⎠⎦⎣⎝ ⎠⎦където F=1-(G d /G)².Промяната на скоростта на вятъра с промяна на височината над повърхността налагаопределянето на реалната скорост на вятъра V h за височината h, на която се намираветрогенераторът. За целта се използва формулата (2.8), където α J е коефициент напривеждане често приеман за равен на 0.15.J⎛ h ⎞V h = V10 ⎜ ⎟(2.8)⎝10⎠Някои автори използват разпределението на Вейбул за представяне на данните заскоростта на вятъра през годината. То се изчислява по (2.9) и апроксимира с достатъчнаточност разпределението на скоростта на вятъра според стойността й и нейната повторяемост.( k −1)weibullkweibull⎛ k ⎞⎛⎞ ⎡ ⎛ ⎞ ⎤weibull VVf ( V ) =⎜⎟⎜⎟ exp⎢−⎜⎟ ⎥(2.9)⎝ Aw⎠⎝Aw⎠ ⎢⎣⎝ Aw⎠ ⎥⎦където A w е мащабен параметър в m/s, k weibull е безразмерен формообразуващ параметър, а V ескоростта на вятъра.Точността се потвърждава от Фигура 2.7, която представя реалните (стълбовете) иапроксимираните (линиите по върховете) данни за българските станции. От нея може да седаде и оценка на енергийния потенциал на местата – Ботев и н. Калиакра имат голям вятъренпотенциал, Плевен е със средно добър, а за другите станции този потенциал е посредствен.Плътност на вероятността0,250,20,150,10,05БОТЕВk = 2.081A = 9.993 m/sсредна = 8.887 m/sмедианна = 8.38m/sЧИРПАНk = 1.043A = 2.016 m/sсредна = 1.930 m/sмедианна = 1.419КАЛИАКРАk = 1.896A = 6.84 m/sсредна = 5.982 m/sмедианна = 5.638 m/sαКЪРДЖАЛИк = 1.232A = 2.882 m/sсредна = 2.660 m/sмедианна = 2.140m/sСАНДАНСКИk = 0.9950A = 1.7740 m/sсредна = 1.715 m/sмедианна = 1.227m/sПЛЕВЕНk = 1.855A = 5.557 m/sсредна = 4.859 m/sмедианна = 4.56m/sСОФИЯk = 1.105A = 2.500 m/sсредна = 2.355 m/sмедианна = 1.794m/sВАРНАk = 1.585A = 3.735 m/sсредна = 3.300 m/sмедианна = 2.964m/s0028 015 022 015 017 015 016 014Скорост на вятъра, m/sФигура 2.7. Разпределение на скоростите на вятъра за станциите в БългарияПри проучването на състоянието на проблема бе установена липса на разнообразниизследвания на хибридни системи, състоящи се само от слънчеви и вятърни генератори. Етозащо е отделено внимание на възможността за реализиране на такава хибридна система наизползваните места. За изграждането на такава система е необходимо винаги да има наличенпървичен ресурс, който да осигури захранването на консуматора. Това би могло да се изпълнипри взаимно допълване на слънчевата и вятърната енергия. Изследвани са два различниаспекта – взаимно допълване на средните стойности за различните месеци през годината ивзаимно допълване на средните стойности за часовете през деня за всеки месец. За оценка надопълването се използват коефициент на корелация CC (2.20) (с желана стойност -1) иенергийно отношение на средните стойности на енергиите за изследвания период (2.21) (даваоценка на енергийния потенциал на мястото.- 6 -

EwindR = (2.21)Esolarкъдето y i и x i са средно дневните стойности на вятърната и слънчевата енергии за i -тия месец, аy и x са съответните средногодишни стойности на енергиитеСамо 4 български станции и 2 корсикански имат отрицателен коефициент на корелациямежду слънчевата и вятърната енергии: в. Ботев (-0.55), Варна (-0.587), н. Калиакра (-0.88),Плевен (-0.225), Ерса (-0.903) и Солензара (-0.747). От тези 6 станции има 2, при които имаголямо допълване в годишен мащаб – по една в България (н. Калиакра) и в Корсика (Ерса)(Фигура 2.9). От тях Ерса има най-голям енергиен потенциал (R=2.992). От станциите съссредно добро допълване най-добрият енергиен потенциал се намира на в.Ботев (R=5.33)Вятърен потенциал, kWh/m² за ден161412108642CC= - 0.88R= 1.82N∑ ( y − )( − )i=1 iy xixN2 N[ ( yi− y)] ( xi− x)CC =(2.20)E wind12{ [ ]} 2E solar∑i=17654321Слънчев потенциал, kWh/m² за ден∑i=1Вятърен потенциал, kWh/m² за ден252015105CC= -0.903R= 2.992E solarE wind87654321Слънчев потенциал, kWh/m² за ден0Jan 1 Feb 2 Mar 3 Apr 4 May 5 Jun 6 Jul 7 Aug 8 Sep 9 Oct 10 Nov 11 Dec 12Месец00Jan 1 Feb 2 Mar 3 Apr 4 May 5 Jun 6 Jul 7 Aug 8 Sep 9 Oct 10 Nov 11 Dec 12н. Калиакра ЕрсаФигура 2.9. Годишно изменение на слънчевата (синьо) и вятърната (червено) енергииМесец0Във втората част на изследването се въвежда допълнителен параметър –произведението на средните стойности за деня на двете енергии. Резултатите за януари и майса представени на Фигура 2.10. Коефициентът на корелация е по оста Х, отношението R пооста Y, а радиусът на кръговете отговаря на произведението. Големият високо разположенкръг означава голям енергиен потенциал, а лявото разположение на кръга показва взаимнодопълване на вятърната и слънчевата енергии. Наблюдава се голямо разнообразие наразположението на кръговете за един и същ град, което означава, че докато в годишен мащабмогат да се определят станции с добро взаимно допълване, то в дневен мащаб това не евъзможно. Поради тази причина хибридна система, състояща се само от вятърни и слънчевигенератори, не може да функционира с постоянна мощност. Ето защо се прибягва досравняване на произведената електроенергия с консумираната, представено в глава 3.RR151510105500-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1CCCCЯнуари- 7 -МайФигура 2.10. Оценка на взаимното допълване за различните месеци

2.3. Моделиране на различни генератори от хибридната системаСлед анализ на различни модели на елементите на хибридната система са подбрани исъздадени такива за нуждите на дисертацията. Моделираните елементи са фотоволтаичнасистема (фотоволтаичен модул и присъединяващ инвертор), вятърен генератор ихидроенергиен възел (водна турбина и асинхронен генератор).Моделът на фотоволтаичния модул трябва да отчита влиянието на слънчеватарадиация и температурата на околната среда върху коефициента на полезно действие намодула. Направено е сравнение на различни подходи за моделиране на фотоволтаичен модулс експериментални данни (Фигура 2.14). Избран е моделът на Дюриш (2.25) поради наймалкатасредно квадратична грешка (3.03 % за слънчев ден и 4.22 % за ден с променливаоблачност). Освен това той може да моделира модули от моно и поликристален силиций, отаморфен силиций и от медноиндиев селенид.600500Мощност, W4003002001000Експериментални данниМодел на EvansМодел на PaateroМодел на DurischМодел на LabbeМодел на Borowy7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17часФигура 2.14. Сравнение на моделите с опитни данни за слънчев и променлив денm⎡Dur⎤uG⎡⎤β⎛ Gβ⎞⎛ ⎞⎢ ⎜ ⎟ ⎥T× ⎢ cell AM+ + + ⎜AMη ⎟ ⎥pv = pDurq +1 r s⎢Dur⎥ ⎢(2.25)Gβ,ref⎥⎣ ⎝Gβ,ref ⎠Tcell,refAM0⎦ ⎣⎝ AM0 ⎠ ⎦където стандартните условия за слънчевата радиация G β,ref и температурата на клетките T cell,refса съответно 1000 W/m 2 и 25 ºC, AM е относителната маса на въздуха, която при стандартниусловия се приема AM 0 =1.5, емпиричните коефициенти p Dur , q, m Dur , r, s Dur и u са определениза m-Si (BP 585F), p-Si (Kyocera LA361K51S), a-Si (UniSolar UPM US-30) и Siemens (CIS ST40),а температурата на клетките T cell се изчислява по формулата на Рос.Коефициентът на полезно действие на инвертора се изменя в зависимост отнатоварването. Това се отразява от товарната характеристика на даден преобразувател. Замоделирането на инвертора е необходимо да се познава зависимостта на КПД от входящатамощност. Такъв модел е предложен от Шмид (2.45).pηinv=2(2.45)p + p 0+ kpкъдето p е приведената мощност на инвертора, а p 0 и k са коефициенти, които се изчисляват откоефициентите на полезно действие при 10 и 100 % натоварване спрямо номиналното,предоставени от производителя. Направено е проучване на пазара на инвертори и е създаденабиблиотека от 21 инвертора с различни товарни криви. От тях са побрани три с типичнихарактеристики, които са използвани в по-нататъшните изследвания. Тип 1 се характеризира сголеми загуби, независещи от натоварването, докато Тип 2 се характеризира с малки загуби –- 8 -

зависещи и независещи от изходящата мощност. За тип 3, са големи само загубите зависещиот натоварването.Вятърните генератори могат да бъдат моделирани по два начина:• Първият от тях представлява моделиране на кривата на мощността. Тази крива имахарактерни точки: скорост на включване V cut-in , скорост, при която се постига номиналнамощност V rated и скорост на изключване V cut-off . Моделите описват участъците между тезихарактерни точки. В частта преди скоростта на включване мощността на изхода наветрогенератора е нула, а след V rated до V cut-off – единица. Разликата в моделите се наблюдава вучастъка между V cut-in и V rated . При линейния модел мощността се изменя по права линия.Моделът на Палабазер използва зависимостта (2.48), докато при Чанг се използва полином оттрета степен (2.49), в който емпиричните коефициенти a 1 , a 2 , a 3 и a 4 са изчислени на базата накривата на мощността на ветрогенератор VESTAS V-47 660kW. Трите модела са онагледенина Фигура 2.21.2 2⎛ V −V⎞cut−inp =⎜⎟2 2(2.48)⎝Vrated−Vcut−in⎠p = a V+(2.49)3 21+ a2V+ a3Va410.8p=(P/Prated)0.60.4ЛинеенПалаблазерЧанг0.200 5 10 15 20 25Скорост на вятъра, m/sФигура 2.21. Криви на мощността според 3-те модела• Вторият подход за моделиране е използването на реални криви на мощността. Тогаваизходящата мощност за дадена скорост на вятъра се получава с интерполация. Следразглеждане на различни методи е използвана „Monotone Piecewise Cubic Interpolation”,предложена от Фритш. Резултати от нейното приложение може да се видят на Фигура 2.22.10,8p=(P/P rated )0,60,4ДанниИнтерполация0,200 5 10 15 20 25Скорост на вятъра, m/sФигура 2.22. Сравнение на начални и интерполирани данни- 9 -

За използването на този подход е необходимо познаването на реалните криви намощността. Ето защо е направен преглед на пазара на малки и големи ветрогенератори. Такаса създадени библиотеки на генератори с различна мощност. Открити са 77 ветрогенератора смалка мощност, от които 59 имат криви на мощността. Анализът на намерените криви показваголямо разнообразие на кривите и че тяхното моделиране с представените по-горе модели еневъзможно. Броят на кривите е намален до 8 типични, които са използвани в по-нататъшнитеизследвания. При ветрогенераторите с голяма мощност разнообразието на кривите намощността е много малко. Това се вижда от кривите на мощността на 30 турбини, показани вдисертацията.Съществуват различни видове водни турбини. Изборът на турбина зависи отхарактеристиките на мястото на инсталиране – напор и дебит. След направения избор,коефициентът на полезно действие се определя посредством кривите на съответната турбина взависимост от относителния входящ дебит. Тези характеристики практически отразяватизменението на КПД от входящата мощност, тъй като за дадено място относителната входящамощност на водата е равна на относителния дебит. На Фигура 2.26 са представени кривите нанякои от най-често използваните водни турбини.100%90%80%70%КПД, %60%50%40%30%ПелтонКапланФрансисБанки-Мичел20%10%0%0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Qout/QnФигура 2.26. Изменение на КПД за различни водни турбиниПроизведената от водната турбина механична енергия се преобразува в електрическапосредством асинхронен генератор. Предвид обратимостта на електрическата машина сеправи допускане, че съотношението на коефициента на полезно действие и входящатамощност се запазва в двата режима на работа – като генератор и като двигател. Така отработните характеристики на асинхронен двигател може да се получи кривата наотносителния коефициент на полезно действие в зависимост от входящата мощност. Тя епредставена на Фигура 2.28. От нея чрез интерполация се определя нужната стойност на КПД.Относителен КПД1.110.90.80.70.60.50.40.30.20.100% 20% 40% 60% 80% 100%P1/P1 rated , % от номиналнатаФигура 2.28. КПД графика на асинхронен генератор- 10 -

Вече бе споменато, че електрическата машина в хидроенергийния възел е обратима.Някои от водните турбини също могат да работят като турбини и помпи. Такъв е случаят стурбината Франсис. При допускане, че в режим на изпомпване изменението на КПД взависимост от входящата мощност се запазва, и комбинирането на характеристиките наводната и електрическата машини се получават криви, с които може да се моделира обратимхидроенергиен възел. Те са представени на Фигура 2.29 и представляват изменението наотносителната изходяща мощност при промяна на относителната входяща мощност. Видът насъответната мощност се определя от режима на работа.10.9Относителна мощност (Pe/Pe 0 )Относителен дебит (Q/Q 0 )0.80.70.60.50.40.30.20.1ТурбинаПомпа00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1Относителен дебит (Q/Q 0 )Относителна мощност (Pe/Pe 0 )Фигура 2.29. Зависимости на входните от изходните мощности в двата режима2.4. Подбор на компонентите на хибридна системаВ тази точка са описани методи за подбор на мощността на инвертора спрямомощността на фотоволтаичното поле и за избор на вятърен генератор. Първото изследванеима за цел да се определи съотношението:RPPV , peaks= (2.55)Pinv, ratedкъдето P PV,peak е инсталираната максимална мощност на фотоволтаика, а P inv,rated еноминалната мощност на инвертора.В изследването се променят стойностите на съотношението R s , като се пресмятатгодишно произведената променливотокова електроенергия от фотоволтаичната системаE out,annual , годишната електроенергия, произведена от слънчевите панели E PV,annual и загубенатаенергия поради ограничение на мощността на инвертора E loss,annual . Пресметнати са още:• Енергийна ефективност на инвертора пресметнат по:• Процент на загубите:Eout ,annualρinv=(2.57)EPV ,annualEloss,annualRloss= (2.58)EPV ,annualНаправена е оценка на влиянието на наклона на фотоволтаичните модули (Фигура2.30), на технологията на фотоволтаичните модули (Фигура 2.31), на вида на инвертора и намястото на инсталиране. След направения анализ са направени допускания, въз основа накоито са определени оптимални съотношения, представени в Таблица 2.7.- 11 -

0.980.96mSiСофия0.10.08Годишен КПД на инвертора0.940.920.90.880.86INV1 0° INV2 0° INV3 0°INV1 30° INV2 30° INV3 30°INV1 50° INV2 50° INV3 50°INV1 70° INV2 70° INV3 70°INV1 0° INV2 0° INV3 0°INV1 30° INV2 30° INV3 30°INV1 50° INV2 50° INV3 50°INV1 70° INV2 70° INV3 70°0.060.040.02Rloss0.840.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25 1.35 1.45 1.55 1.65R sФигура 2.30. Изменение на годишен КПД и загубите при mSi за София и 4 наклона на модулите0Годишен КПД на инвертора0.980.960.940.920.90.880.860.84СофияINV1 mSi INV2 mSi INV3 mSiINV1 pSi INV2 pSi INV3 pSiINV1 aSi INV2 aSi INV3 aSiINV1 CIS INV2 CIS INV3 CISINV1 mSi INV2 mSi INV3 mSiINV1 pSi INV2 pSi INV3 pSiINV1 aSi INV2 aSi INV3 aSiINV1 CIS INV2 CIS INV3 CIS0.10.080.06Rloss0.040.020.820.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25 1.35 1.45 1.55 1.65R sФигура 2.31. Изменение на годишен КПД и загубите за София и 4 технологии на модулитеТаблица 2.7. Избрани стойности на R s след опростяванеИнвертор 1 Инвертор 2 Инвертор 3mSi, pSi, CIS 1.14 1.02 0.68aSi 1.04 0.94 0.67Подборът на ветрогенератор може да се осъществи по два начина:• Първият е теоретичен анализ на производителността на самия вятърен генератор.Такова изследване е направено за осемте типа ветрогенератори с малка мощност. При него сеизменят средната скорост на вятъра и формообразуващият коефициент k weibull . По този начинсе симулират различни вятърни характеристики на мястото на инсталация. Полученитеразпределения на Вейбул са сравнени с кривата на мощността за различните типовеветрогенератори за получаване на произведената енергия за годината. На Фигура 2.34 сапредставени резултатните повърхнини за генератора, достигнал максималнапроизводителност (Тип 1) и този с минимална (Тип 8).• Вторият подход е изчисляването на годишната произведена енергия сметеорологичните данни от конкретно място. Този подход е приложен за наличните места, арезултатите са показани на Фигура 2.35. Тук Тип 3 е най-производителен, което предпоставяизползването на реални данни за мястото на инсталиране, а не теоретична оценка на енергията,произведена от вятърния генератор. Поради това тридесетте вятърни генератора с голямамощност са изследвани само с реалните метеорологични данни. Тук няма машина, която даима най-висока производителност за всички станции – Тип 11 е подходящ за места с малъквятърен потенциал, а Тип 13 – за тези с голям потенциал.- 12 -0

Type1Type880007000800060007000600050006000500040005000E/P, [h]40003000E/P, [h]30004000200020001000032.5k, [-]21.510510V, [m/s]15100003Фигура 2.34. 3D криви на изменението на производителността при промяна на k weibull и V2.52k, [-]1.510510V, [m/s]1520300020001000060005000БотевЕрсаКалиакраФигариПлевенКалвиАячоВарнаСолензараКърджалиСофияЧирпанСанданскиТип 1 Тип 2 Тип 3 Тип 4 Тип 5 Тип 6 Тип 7 Тип 840003000200010000Производство, kWh/kWФигура 2.35. Евентуална произведена енергия на типовите ветрогенераториГлава 3 – Изследване на различни структури на хибриднисистеми3.1. УводТази глава представя приложението на описаните модели за изследване на бавноизменящи се процеси в хибридни системи, работещи в паралел с електрическата мрежа или вавтономен режим.3.2. Изследване на хибридна система с два възобновяемиизточника на енергия и идеално запасяващо устройствоПроучването на взаимното допълване на първичните ресурси показа, че не е възможнода се даде еднозначен отговор дали има такова допълване или не. Ето защо въз основа насъздадените модели е определено допълването на произведената енергия от хибриднатасистема с товара в два режима на работа – автономен режим и в паралел с електрическатамрежа. Хибридната система се състои от фотоволтаични панели и ветрогенератор. Модулитеса ориентирани на юг и са под наклон 30º спрямо хоризонталната повърхност. Използваните- 13 -

модули са от една и съща технология, като са изследвани и четирите възможности. Избраниятинвертор е Тип 2 поради най-добрите му качества. Вятърният генератор е разположен нависочина, която се определя според избраната номинална мощност. За неговото моделиранесе използва моделът на Палабазер. Към хибридната система е присъединено идеалнозапасяващо устройство (ЗУ), работещо с коефициент на полезно действие единица в дватарежима – на зареждане и на разреждане. То има за цел да даде информация за нуждата отналичието на реално такова. Структурата на системата е показана на Фигура 3.1.Фотоволтаично полеВятърен паркХибридна системаЕлектрическа мрежаЗапасяващоустройствоФигура 3.1. Схема на изследваната хибридна системаОписаната хибридна система има за цел да задоволява електрически товар,съответстващ на българско село. Максималната консумирана мощност е 312 kW, а годишнатаконсумирана енергия е около 1.23 GWh. Според режима на работа възобновяемите източницина енергия захранват пълния товар (при автономен режим) или само върховото натоварване (впаралел с електрическата мрежа). При втория режим за всеки ден минималното натоварванесе покрива от конвенционалния източник.Приема се общата номинална мощност на системата да е максимум два пъти по-голямаот максималната мощност на захранвания товар. Така ако системата е от 2 източника седнаква номинална мощност, равна на максималната на товара, то той ще бъде задоволен дорипри липса на един от първичните ресурси. В конкретния случай максималната мощност нахибридната система е 624 kW. Номиналната мощност на фотоволтаичната инсталация сеизменя от 0 до максималната стойност със стъпка около 0.8 kW според фотоволтаичнататехнология. При ветрогенератора стъпката на изменение е 2 kW. Общата номинална мощностна хибридната система представлява сбора на мощностите на тези два източника. На базаметеорологичните данни, номиналните мощности на участващите възобновяеми източници наенергия и съответните им модели от предната глава се определя произведената енергия засъответния час i (E PV (i)+E WT (i)). Тя се сравнява с електрическия товар (E charge ) и се изчисляваразликата между тях D. Ако тя е положителна, има излишък на енергия E toSTOCK , който сезапасява в ЗУ. Ако тя е отрицателна, има недостиг на енергия и запасяващото устройствотрябва да отдаде необходимата енергия E fromSTOCK . Ако запасената енергия не е достатъчна зазадоволяване на товара се регистрира авария и се изчисляват нейните параметри –незадоволена енергия и времетраене. След извършване на изчисленията за всички часове отгодината, се пресмятат следните параметри: абсолютната годишна разлика междупроизведената енергия и товара D an (3.1), запасената енергия E STOCK и максималната й- 14 -

стойност E STOCK,max (3.2), общата незадоволена енергия E fault и времетраенето на авариите загодината T fault (3.3):8760∑i=1( i) + E ( i) − E ( i)D = E(3.1)anPVWTch arg eEESTOCKSTOCK ,max=[ EPV( i) + EWT( i) − Echarg e( i)] ako EPV( i) + EWT( i) − Echarg e( i)> 0i=1max[ E ( i) + E ( i) − E ( i)] ako E ( i) + E ( i) − E ( i) > 08760= ∑PVWTch arg ePVWTch arg e(3.2)ETfaultfault==8760∑i=18760∑EEfromSTOCKfromSTOCK+ E+ EPVPVEi=1 ch arg e( i) + E ( i) − E ( i) ako E + E ( i) + E ( i) − E ( i)WT( i) + E ( i) − E ( i)WT( i)ch arg ech arg eakoEfromSTOCKfromSTOCK+ EPVPVWTch arg e< 0( i) + E ( i) − E ( i) < 0За всяка възможна комбинация от номинални мощности на двата възобновяемиизточника, при която се получава мощност по-малка или равна на максимално допустиматаноминална мощност на хибридната система, се изчислява годишното изменение наразличните енергии и стойностите на параметрите показани в (3.1), (3.2) и (3.3). Впоследствие се определя оптималната конфигурация по един от следните критерии:• Минимална стойност на D an – при тази стойност изменението на произведенатаелектроенергия от хибридната система е най-близо до изменението наконсумацията. Тъй като се наблюдава абсолютната стойност на разликата,следването на изменението на товара не гарантира неговото задоволяване;• Минимален брой аварии – в този случай консуматорът ще е минимално ощетен,тъй като броят на часовете, в които няма да е напълно задоволен, ще е наймалък;• Минимално времетраене на авариите през годината – при изпълнението на тозикритерий отново консуматорът ще е минимално ощетен. Този критерий е подобърот предния, тъй като е възможна конфигурация с множествократкотрайни аварии, чието времетраене да е по-малко от това на малобройниаварии с голяма продължителност.• Минимална незадоволена енергия – този критерий е най-определящ зазадоволяването на товара. При неговото изпълнение енергията, изисквана оттовара, ще е максимално задоволена, тъй като недостигът ще е минимален.Методът е приложен за различни станции в България. Изборът на местата се основавана данните за товара, който е българско село. Консумацията се определя от климатичнитеусловия. Климатът в Корсика е средиземноморски, докато климатът в България е умеренконтинентален. Ето защо приложението на метода с данни от консумация в България иметеорологични данни от Корсика не е целесъобразно. След изобразяване на стойността напараметъра, отразяващ желания критерий за оптимизиране на хибридната система, въвфункция от мощностите на участващите генератори в хибридната система се получаваповърхнина, чийто минимум определя желаната оптимална система. На Фигура 3.6 е показанаповърхнината за първия използван критерий за Варна, а Фигура 3.7 за същия град, но приизползване на втория критерий. За другите два критерия повърхнините имат форма, подобнана тази по критерий 2. Показаните повърхнини са получени при работа в автономен режим иизползване на фотоволтаични модули от монокристален силиций. Те се различават за всякаметеорологична станция и използвана фотоволтаична технология. При работа в паралел селектрическата мрежа формата им се променя, тъй като оптималните конфигурации иматразлична мощност и минимумът е изместен. На Фигура 3.14 и Фигура 3.15 са показанисравнения на оптималните хибридни системи според двата оптимизационни критерия: приработа в автономен режим (индекс 1) и режим в паралел с електрическата мрежа (индекс 2),WTch arg e(3.3)- 15 -

Фигура 3.6. Изменение на годишната разлика за ВарнаФигура 3.7. Изменение на броя аварии за годината за ВарнаБрой аварии; Времетраене на аварията, h800070006000500040003000200010000БОТЕВ 1Брой аварии Времетраене на аварията (h) PWT (kW)PPV (kW) Dan (MWh) Енергия на аварията (MWh)Обем на ЗУ x 100 (kWh)БОТЕВ 2ЧИРПАН 1ЧИРПАН 2КАЛИАКРА 1КАЛИАКРА 2КЪРДЖАЛИ 1КЪРДЖАЛИ 2ПЛЕВЕН 1ПЛЕВЕН 2САНДАНСКИ 1САНДАНСКИ 2Фигура 3.14. Сравнение на резултатите при двата режима на работа (1 – автономен режим, 2 – режим впаралел с мрежата) и модули от mSiСОФИЯ 1СОФИЯ 2ВАРНА 1ВАРНА 210009008007006005004003002001000Номинална мощност, kW; D an , MWh; Обем на ЗУ, x 100 kWh;Енергия на аварията, MWh;- 16 -

Брой аварии; Времетраене на аварията, h3500300025002000150010005000БОТЕВ 1БОТЕВ 2ЧИРПАН 1ЧИРПАН 2КАЛИАКРА 1КАЛИАКРА 2Брой аварииPWT (kW)Dan (MWh)Обем на ЗУ x 100 (kWh)КЪРДЖАЛИ 1КЪРДЖАЛИ 2ПЛЕВЕН 1ПЛЕВЕН 2- 17 -САНДАНСКИ 1САНДАНСКИ 2Времетраене на аварията (h)PPV (kW)Енергия на аварията (MWh)Фигура 3.15. Сравнение на резултатите за двата режима на работа при прилагане на критерий 2 иизползване на модули от mSi3.3. Изследване на хибридна система с два източника и реалнозапасяващо устройство в паралел с електрическата мрежаПредното изследване показва, че за всички станции наличието на запасяващоустройство в хибридната система е необходимо, за да се гарантира нормална работа насистемата. Проведено е изследване дали присъединяването на запасяващо устройство може даповиши проникването на възобновяеми източници на енергия в електрическата мрежа.Причините за ограничаването на внедряването на ВИЕ са липсата на гарантирана мощност,което налага предвиждането на резерв и стохастичността на възобновяемите източници, коетоналага резервът да има бърза реакция. Предвид тези особености възобновяемите източници наенергия влияят върху стабилността на системата, поради което внедряването на слънчеви иветрогенератори в мрежата е ограничено на 30%. Ограничението се прилага особено строго востровните мрежи, чиито особености допълнително увеличават опасността заелектроенергийната система. Характеристиките на островите, които задълбочаваттрудностите пред голямото проникване на ВИЕ в мрежата са липса или слаба връзка с мощнаелектрическа мрежа (трудности при компенсирането на големи промени в производството иконсумацията), малка консумация (предпоставя използването на малки производствениединици за по-добро приспособяване към измененията на товара) и малко разнообразие напървичния ресурс, породено от малката територия (увеличава се възможността заедновременност при изменението на произведената електрическа енергия). Целта наизследването е увеличението на процента на интеграция на ВИЕ с използването назапасяващо устройство.Пред запасяващото устройство се поставят следните изисквания: голям капацитет (зазапасяване на голямо количество енергия), голяма мощност (за задоволяване на повечеконсуматори) и бърза реакция (за компенсиране на стохастичния характер на възобновяемитеизточници на енергия). На Фигура 3.17 е представена класификация на различни запасяващиустройства според количеството запасена енергия и номиналната мощност. Вижда се, чепомпено-акумулиращите водноелектрически централи (ПАВЕЦ) отговарят най-добре напоставените изисквания. Друго тяхно предимство е широкото им разпространение, като натози етап в световен мащаб има инсталирани над 110 GW.Изследваната система се доближава максимално до реалния случай на електрическатамрежа на о. Корсика. Хибридната система се състои от фотоволтаични модули отмонокристален силиций с наклон 30°, инвертор Тип 2 и вятърни генератори с голяма мощностТип 13. Инсталираните мощности на тези два източника имат различни стойности. ПомпеноакумулиращатаВЕЦ има напор 400 метра. Номиналната й мощност заедно с вместимостта нарезервоарите са променяни за оценка на влиянието на тези два параметъра върху работата наСОФИЯ 1СОФИЯ 2ВАРНА 1ВАРНА 22000180016001400120010008006004002000Номинална мощност, kW; Dan, MWh; Обем на ЗУ, x 100 kWh;Енергия на аварията, MWh;

PSHсистемата. Симулираната електрическа мрежа на о. Корсика се състои от: 50 MWпостояннотоков кабел SACOI (SArdinia-COrsica-Italy), използван целогодишно в базата натоваровия график; променливотоков кабел SARCO (SARdinia-COrsica) с мощност до 80 MW,които се използват в базата, ако са необходими; 8 дизелови генератора с номинална мощност25 MW и работещи с натоварване от 60 до 100 % в полубазата на графика. Принципна схемана изследваната система е представена на Фигура 3.24.CAES Сгъстен въздухNa-S Натрий сяраL/A Олово киселинниNi-Cd Никел - Кадмий100VR Ванадий редоксLi-Ion Литиево йонниZn-Br Цинк - БромNi-MH Никел - Метал хидридниFW МаховициEDLC Двуслойни кондензаториNa-S Натриев сяраPSH ПАВЕЦ10VRNa-SCAESВреме на разряд, hDischarge Time (hr)10.10.01Ni-MHLi-IonZn-BrFWNa-SNi-CdNi-CdL/A0.001EDLC0.00010.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Rated Power (MW)Номинална мощност, MWФигура 3.17. Класификация на ЗУ според мощността им и капацитета имЕлектрическият товар на изследваната система отговаря на реалната консумация на о.Корсика. Максималното натоварване достига 421 MW, докато минимумът е от 99 MW.Годишната консумация е около 2018 GWh.Фотоволтаично полеВятърен паркХибридна системаЕлектрическа мрежаПАВЕЦФигура 3.24. Структура на хибридната системаНа база моделите на различните източници в хибридната система и номиналните иммощности се изчислява произведената електроенергия. За по-нататъшните действия сеизползва следните хипотези. Възобновяемите източници на енергия задоволяват 30 % от- 18 -

изискваната мощност от консуматора. Остатъкът се запасява или не се оползотворява споредсъстоянието на резервоарите. Водните турбини работят при нужда от електричество допълното изпразване на горния резервоар, след което работят като помпи до запълване на 90 %от горния воден басейн.Алгоритмът на действие при управление на системата е следният. Първо частта от ВИЕ,която може да участва в покриването на товара се събира с мощността на SACOI и сборът сесравнява с товара. При излишък той се запасява, ако има място в горния резервоар, заедно состатъка от възобновяемата енергия, който не може да участва в задоволяването на товара.Ако тези два източника са недостатъчни за задоволяването на товара се включват воднитетурбини, ако те са поставени в режим на генериране. Ако на турбините не е позволено дагенерират електричество или необходимата енергия е по-голяма от наличната в басейна илиноминалната за турбините, се използват мощностите на SARCO. Разликата между дватаслучая се състои в съдбата на енергията от ВИЕ, която не може да участва в покриването натовара – при работа на турбините тази енергия не се оползотворява, а при липса напозволение за генериране се използва за изпомпване на вода в горния басейн. При недостиг наенергия след включването на SARCO се ползват дизеловите агрегати. Ако всички наличниизточници на енергия са недостатъчни за задоволяването на консумацията, се регистрираавария и се изчислява незадоволената енергия. Стратегията е онагледена на Фигура 3.30.Изчисленията са направени за период от една година като са изчислени различнипараметри. Тяхното пълно графично представяне не е нагледно. Ето защо е представенотрязък от 122 часа за една от изследваните хибридни системи със 75 MWp фотоволтаичнасистема, 180 MW вятърни генератори и ПАВЕЦ с резервоар от 2.5 Mm 3 , осигуряващ 17 часапроизводство на електроенергия на пълна мощност на петте турбини. Обхванатия отрязък сесъстои от 3 различни периода: бавно пълнене на басейна, последвано от бързо изпразване иново, по-бързо пълнене на горния резервоар.Инсталирани мощности ВИЕМетеорологични данниПроизведена мощност от ВИЕСравнение с мощносттана товараСъставки на мощността от ВИЕМощностна SACOI+ + -Мощност11≥0дана товаранеОпределяне на запасенатаи неоползотворената енергия,нивото на резервоара исъстоянието на турбинитеТурбини в режимна готовностдадане+ +33≥0не+ +55≥0неда2Мощностна SARCOМощноств ТЕЦ1+2≥0не+ +44≥0не+ +66≥0недададаОпределяне нанеоползотворената енергия,нивото на резервоара исъстоянието на турбинитеАвария - определяне на параметрите на аварията,запасената (ако турбините не генерират) и неоползотворенатаенергия, нивото на резервоара и състоянието на турбинитеФигура 3.30. Стратегия за управление на систематаНа Фигура 3.31 е показано изменението на изпомпваната мощност, генериранатамощност от турбините, броят на използваните машини при изпомпване и генериране и нивото- 19 -

на басейна. Участието на различните производствени единици в задоволяването наелектрическата консумация на острова е представено на Фигура 3.32. Може да се видиосновното предимство на използваната стратегия за управление – по време на изпразването нарезервоара дизеловите агрегати и SARCO не се използват, което позволява тяхнатапрофилактика и/или ремонт.120100%5Мощност, MW10080604020Ниво на басейна (%)Мощност от помпите (MW)Мощност от турбините(MW)Брой помпи80%460%340%220%1Брой машини, - ; Ниво на басейна, %00 24 48 72 96 120 Час0%Фигура 3.31. Изменение на нивото на басейна, броят на помпите и турбините в действие и тяхнатасумарна мощност400SACOI SARCO PВИЕтовар Мощност от турбините Мощност от дизел Товар300Мощност, MW20010000 24 48 72 96 Час 120Фигура 3.32. Участие на различните източници в задоволяването на товараРазпределението на енергията, произведена от фотоволтаичната система и отвятърните генератори, е представено на Фигура 3.33. С розово е представена частта от ВИЕ,участваща в покриването на товара, със синьо е запасената енергия, а с кафяво –неоползотворената енергия. От Фигура 3.33 се вижда недостатъкът на стратегията зауправление. При използването на турбините за изпразване на резервоара се губи цялатаенергия, която надвишава 30-те % от товара. Освен това се оказва, че номиналната мощностна машините в ПАВЕЦ не е достатъчна за запасяването на всичката излишна енергия от ВИЕ.Тези два недостатъка могат да бъдат смекчени с включването на допълнително запасяващоустройство, което да работи по време на производството на електричество от водните турбини.Проведените изчисления за различни конфигурации на хибридната система и ПАВЕЦпоказват, че включването на запасяващо устройство внася редица подобрения в работата наелектроенергийната система. С присъединяването на ПАВЕЦ неоползотворенатавъзобновяема енергия се намалява до 2 пъти. Енергията, изисквана от дизеловите агрегати, се- 20 -

намалява с максимум 19 % при високи стойности на произведената енергия от ВИЕ.Въвеждането на ПАВЕЦ в структурата на хибридната система намалява и енергиятаконсумирана от променливотоковия кабел SARCO с до 24 %. Тази енергия е произведенасъщо от конвенционални източници на енергия, така че използването на запасяващоустройство има благоприятен ефект върху околната среда.250200PВИЕизгубенаPВИЕизпомпенаPВИЕтоварPWTPPVМощност, MW1501005000 24 48 72 96 Час 120Фигура 3.33. Разпределението на енергията от ВИЕГлава 4 – Изследване на елементи на хибридните системи впреходни процеси4.1. УводЕлектрическите машини са основна съставна част на някои генератори, използващивъзобновяеми източници на енергия. Те присъстват предимно във вятърните генератори ихидроенергийните агрегати. Тази дисертация се концентрира върху конфигурациите сасинхронна машина, които намират приложение поради възможността да работят вгенераторен режим при променлива скорост на въртене. Елементите от тези конфигурации самоделирани и са проведени симулации за количествена и качествена оценка на моделите.4.2. Моделиране на елементи от конфигурации с асинхроннамашина за приложение във възобновяеми източници на енергияМоделирани са асинхронна машина, реверсивен преобразувател на напрежение, кактои прилежащите му системи за управление и кондензатор. Моделите са реализирани в средатана Matlab/Simulink.Според обобщената теория на електрическите машини електромагнитните процеси васинхронната машина може да се представят посредством уравнения, съставени по законитена Кирхоф. Направени са допускания, че магнитната верига на машината е линейна, загубитев стоманата се пренебрегват, механичните загуби се пренебрегват и машината работи впаралел с безкрайно мощна електрическа мрежа. Електрическата машина е приведена къмсистема с намотки в координатна система, която се върти със синхронна скорост ω s .Моделиращите уравнения са представени в системата уравнения (4.18), където u Sd , u Sq , u rd иu rq са векторите на статорните и роторните напрежения по двете оси, i Sd , i Sq , i rd и i rq савекторите на статорните и роторните токове по двете оси, Ψ Sd , Ψ Sq , Ψ rd и Ψ rq са съответнитевектори на потокосцепленията по осите, r 1 е съпротивлението на една фаза от статорнатанамотка, а r 2 е съпротивлението на роторната фаза, ω r е скоростта на въртене на ротора в rad -1 .- 21 -

dΨSduSd= r1iSd + − ωsΨSvqdtdΨSquSq= r1iSq + + ωsΨSddt(4.18)dΨrdurd= r2ird+ − ( ωs− ωr) ΨqvdtdΨrqurq= r2irq+ + ( ωs− ωr) ΨrddtТази система се допълва от система, обвързваща токовете и потокосцепленията (4.11),където индуктивностите се изчисляват от индуктивността на разсейване на статорната (L σs ) ироторната (L σr ) намотки и взаимната индуктивност между статора и ротора (M sr ) по (4.12).Ψ = L .i + L .iΨΨΨSdSqrdrqLL= Ls= Ls= Lmsmm.i.i.iSdSqSdSq3=2= LσsM+ Lmm+ L+ Lsr+ Lssm.i.i.irdrqrdrq(4.11)(4.12)Lr= Lσr+ LmЗа пълното моделиране на асинхронната машина електромагнитният модел се допълвас уравнение на движението (4.19)d ω pr p= ( T + T )(4.19)dtJmкъдето J е инерционният момент на ротора, p p – броят чифтове полюси на машината, T m –механичният момент и T е – електромагнитният момент на машината, намерен по:3T = p L 2Tee3= p 2e( i i − i i )p m q rdилиpd rq( Ψ i − Ψ i )dqq d(4.20)Моделите в Matlab/Simulink са в пространство на състоянието, което налагапреобразуването на електромагнитния модел в система от 4 диференциални уравнения с еднапроменлива на състоянието. В електрическите машини такива променливи са токовете ипотокосцепленията. При избор на потокосцепленията в (4.11) се изразяват токовете (4.21) и сезаместват в (4.18) за получаването на (4.22). При избор на токовете (4.11) се замествадиректно в (4.18), при което се получава (4.23). И двата модела са реализирани в средата наMatlab/Simulink. В уравненията индексът S за статорните величини се изпуска за опростяванена означенията, а роторните носят индекс r.LrLmid= Ψd− Ψ22 drL L − L L L − LiiiqdrqrssssrrrrmLr=L L − L2mLs=L L − L2mLs=L L − L2mΨqΨΨdrqrssssrrrrmLm−L L − L2mLm−L L − L2mLm−L L − L2mΨqrΨΨdq(4.21)- 22 -

diddtdidiqdtdidtdrqrdt1=L L − Ls1=L L − LsssrrrrdΨdtdtdtddΨqdΨdtdΨ2m2m1=L L − L1=L L − L2m2mdrqr= u= udq= u= udrqrr1Lr−L L − Lssssr− ω Ψdrr2mr2Lm+L L − Ls2mr2Lm+L L − L2mΨrdr1Lr−L L − LΨΨ+ ω Ψdq2mssqqr2Ls−L L − L−Ψrr1Lm+L L − Lss2mrrdr2mr1Lm+L L − LΨ2m( ω −ω)2 s( ωs− ωr) Ψdr− Ψqr+L LsΨΨsrdrqrr L− L2( L u − L u − r L i + L L ω i − L ( ω −ω) i + r L i + L L ω i )r2( L u − L u − L L ω i − L ( ω − ω ) i − r L i − L L ω i + r L i )r2( L u −Lu − r L i − L L ω i − r L i + L ω i + L L ( ω − ω ) i )s2( L u − L u + L L ω i + r L i + L ω i − L L ( ω −ω) i − r L i )sdqdrqrmmmmdrqrdq11ssrrdm dms drdssrmm1s qsr qm qm2rmdss drgdr1rr qmqsrr2ms qr2mΨsqrm drrsr drrrsdrm2rm qrr2rqrqrs qr(4.22)(4.23)Електронни преобразуватели се използват в конфигурацията двойно захраненасинхронен генератор (ДЗАГ). В този случай се използват реверсивни преобразуватели нанапрежение, които могат да работят като изправители и инвертори. Схема на тозипреобразувател е представена на Фигура 4.4, като посоките на токовете са за изправител. Примоделирането на електронния преобразувател се приема, че електронните елементи саидеални ключове с мигновено действие. Моделирането се осъществява с изразяване напроменливотоковите напрежения V s1n , V s2n и V s3n във функция на постоянното напрежение V 0 иi ) (4.31).2 1 1Vs1n= . γ1.Vdc− . γ2.Vdc− . γ3.Vdc3 3 31 2 1Vs2n= − . γ1.Vdc+ . γ2.Vdc− . γ3.Vdc(4.31)3 3 31 1 2Vs3n= − . γ1.Vdc− . γ2.Vdc+ . γ3.Vdc3 3 3Състоянието на рамото на електронния преобразувател отчита знака на постояннотонапрежение, което достига средната точка на рамото. Така то приема стойности 1 и -1. То еположително, когато е затворен горният ключ от съответното рамо (този с нечетен номер).Когато е затворен ключът с четен номер на съответното рамо, състоянието γ i има стойност -1.Напрежението V dc е половината от постоянното напрежение V 0 .състоянието на трите рамена на преобразувателя γ i ( ∈[ 1,3]i ' oi oS1D1S3D3S5D5V s1Ni CoVs1i s1LsRsV 0Vs2Vs3i s2i s3LsLsRsRsV s2NV s3NCoТОВАР LOADS2D2S4D4S6D6Фигура 4.4. Електрическа схема на електронен преобразувател в режим на изправител- 23 -

Моделът на кондензатора в схемата на Фигура 4.4 се съставя с прилагане на закона наКирхоф за един от възлите, в които кондензаторът е свързан (4.39), където i c е токът презкондензатора, i 0 – токът преди възела, i 01 – токът след него, а C – капацитетът на кондензатора.За реализирането на модела в Matlab/Simulink това уравнение се преобразува вдиференциалното уравнение (4.40):dUcic= C = i 0− i 01(4.39)dtdU c 1 = ( i0− i01)(4.40)dt CВ симулациите е използван опростен модел на вятърната турбина, при който се взимапредвид само механичната мощност на изхода на турбината. Тя представлява поредица отслучайни изменения около определена стойност. Тези изменения имат за цел да моделиратстохастичния характер на вятъра. От механичната мощност може да се намери механичниятмомент, който участва в уравнението на движението. За целта се използва уравнение (4.38).PmecTm= (4.38)ωr4.3. Изследване на различни конфигурации на асинхронни машиниИзследваните конфигурации са асинхронна машина с накъсо съединен ротор,асинхронна машина с навит ротор и допълнителни съпротивления и двойно захраненасинхронен генератор. В първите два случая електромагнитният модел на асинхронниягенератор се модифицира. При накъсо съединен ротор напреженията в ротора са нула, а принавит ротор, приведените стойности на допълнителното съпротивление се добавят къмсъпротивлението на роторната намотка. Моделите на трите конфигурации са реализирани всредата на Matlab/Simulink. Проведените симулации са представени по-долу.С машината с накъсо съединен ротор са проведени симулации за изчертаване намеханичната характеристика на машината, промяна на режима на работа, внезапна промяна навходящия момент, неговата плавна промяна и симулиране на вятър. За изчисленията саизползвани данни от асинхронна машина МАТ 20. Симулационните резултати са сравнени секспериментални, получени с тази машина. Изчертаването на механичната характеристика(Фигура 4.7) има за цел да оцени качествено и количествено създадения модел. От една страна,формата на получената крива съответства на теоретичното изменение на момента. От другастрана се наблюдава съответствие на изчислените стойности с експериментално получените вработния диапазон на машината.40302010SimulationExperiment0M, Nm-10-20-30-40-50-60-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1s, -Фигура 4.7. Изчислена механична характеристика за МАТ 20Смяната на режима на работа на асинхронната машина от двигателен в генераторенима за цел да провери посоките на енергийните потоци. В тази симулация се наблюдавасъответствие между изменението на статорните мощности и теорията.- 24 -

Промените на входящия момент позволяват оценка на преходния процес приизменение на механичния момент. Моделът запазва устойчивост. Тази стабилност еизпробвана също и при симулиране на поредица от изменения със стохастичен характер навходящата мощност, каквито се наблюдават при работата на генератора с вятърна турбина.Резултатите показват, че създаденият модел може да бъде използван за симулирането наработата на ветрогенератори в паралел с електрическата мрежа (Фигура 4.18).20001800Input mechanical powerOutput electrical power160014001200P, W100080060040020000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5t, sФигура 4.18. Изменение на входящата и изходящата мощност подобно на изменението на вятъраНаправените сравнения на изчислителни и експериментални резултати за различнискорости на въртене показват задоволителна точност за статорните токове и активнатамощност.Включването на допълнителни съпротивления в роторната верига увеличава диапазонана работа на асинхронния генератор. С реализирания модел са направени симулации навнезапна промяна на входящия момент (Фигура 4.30) и симулиране на вятър (Фигура 4.31). Впървия случай се наблюдава удължаване на времетраенето на преходния процес в сравнениесъс същата симулация при асинхронна машина с накъсо съединен ротор. При симулиране навятър реализираният модел запазва устойчивост, което позволява приложението му в понататъшниизследвания на вятърни генератори.20001800Input mechanical powerOutput electrical powerSuppelementary resistance losses160014001200P, W100080060040020002.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4t, sФигура 4.30. Мащабно увеличение на преходния процесНаправеното сравнение на резултати от симулации и експериментално полученистойности за статорната и роторната мощности, статорния ток и момента на машината показвазадоволителна точност на симулациите.- 25 -

20001800Input mecanical powerOutput electrical powerSupplementary resistance losses160014001200P, W100080060040020000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5t, sФигура 4.31. Механична мощност, статорна мощност и загуби в ротора при симулиране на вятърИзследването на асинхронна машина с навит ротор и допълнителни съпротивленияпоказва, че с разширяването на скоростния диапазон се получават загуби в съпротивленията.Те могат да се оползотворят като се отдадат в електрическата мрежа посредством електроннипреобразуватели в роторната верига. На тази идея се основава създаването на конфигурациятадвойно захранен асинхронен генератор, при която в роторната верига са включени електроннипреобразуватели, които могат да осигурят двупосочен обмен на енергия между ротора имрежата. Допълнително предимство е възможността за генериране на електричество приподсинхронна скорост на въртене на ротора. Този режим се получава в случаите, когатовходящата механична мощност P m е по-малка от заданието за активната мощност в статора P s .Тогава мощността, консумирана от ротора P r трябва да покрива загубите в намотките настатора P Js и ротора P Jr (Фигура 4.43). Надсинхронна скорост се наблюдава в два случая.Първият е, когато механичната мощност е равна на сумата на мощността и загубите внамотката на статора, а загубите в ротора се покриват от мрежата през електроннитепреобразуватели (Фигура 4.44). Вторият е, когато механичната мощност е по-голяма отстаторната мощност и загубите в машината, като остатъкът се отдава в електрическата мрежапрез преобразувателите (Фигура 4.45). Освен от съотношението на механичната и статорнатамощности, режимът на работа може да се повлияе, макар и косвено, от статорната реактивнамощност, тъй като заданието за тази мощност влияе върху големините на токовете внамотките, откъдето и на загубите в тях, като по този начин променя съотношението намеханичната и активната мощност.АСГМрежа≈==≈P mP sP JsP rP JrФигура 4.43. Енергийни потоци при подсинхронна скорост на въртене на ротораУправлението на електронните преобразуватели е различно, поради различното импредназначение. Преобразувателят откъм ротора влияе върху напрежението на ротора, атрябва да осигури поддържане на определено задание за статорните активна и реактивнамощности. За целта заданието за активната мощност се трансформира в задание за тока пооста q (i * qr), а това за реактивната мощност – в задание за тока по оста d (i * dr) посредством(4.45). Токовите задания се преобразуват в задания за напреженията по съответната ос (4.46),- 26 -

където s е хлъзгането на асинхронната машина. Определянето на управляващите команди зарамената от преобразувателя γ i се осъществява чрез преминаването на заданията занапрежението през генератор на Широчинно-Импулсна Модулация (ШИМ).АСГМрежа≈==≈P mP sP JsP rP JrФигура 4.44. Енергийни потоци при надсинхронна скорост на въртене на ротора (случай 1)АСГМрежа≈==≈P mP sP JsP rP JrФигура 4.45. Енергийни потоци при надсинхронна скорост на въртене на ротора (случай 2)udr= r2.idrPsQsuq.L= −Lsssm.iqr(4.45)2uquq.Lm= − .idrω .L L⎛− s. ωs.⎜ L⎝rL−L2mss⎞⎟.i⎠- 27 -qr(4.46)2⎛ L ⎞ Lm.umquqr= r .iqrs. ωs.⎜ Lr.idr+ s. ωs.L⎟2+ −⎝ s ⎠ ωs.LsРеверсивният преобразувател на напрежение откъм мрежата влияе върху напреженията,които се подават на мрежата, а има за цел да поддържа напрежението на междиннияпостояннотоков кръг, осигурявайки нормалната работа на преобразувателя откъм ротора.Това се постига с преминаването на заданието за постоянното напрежение (V * 0 ) към заданиеза променливия ток след преобразувателя по оста q чрез преминаване на отклонението напостоянното напрежение през пропорционално интегрален регулатор. След това заданието поток се преобразува в задание по напрежение. Това преобразуване се прилага и за заданието натока по другата ос, което често е нула, за да няма обмен на реактивна мощност селектрическата мрежа. Заданията за напрежението се подават на ШИМ генератор заполучаване на управляващите импулси.Моделите на компонентите на конфигурацията двойно захранен асинхронен генератори на системите за управление са комплектовани в общ модел на ДЗАГ, с който са извършени

различни симулации. Първата от тях е стъпаловидно изменение на заданието на статорнатамощност при задание за нулев обмен на реактивна енергия с електрическата мрежа.Механичната мощност е постоянна, а заданието за статорната активна мощност се променя от75 % до 125 % от нея. При тези изменения се променя скоростта на въртене от надсинхронна вподсинхронна. Измененията на статорните и роторните мощности са показани съответно наФигура 4.50 и Фигура 4.51.P, WQ, VAr5000-500-1000-1500Stator active powerStator reactive powerStator active power reference-20000.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2time, sФигура 4.50. Мощности в статора при стъпаловидноизменение на активната мошностМоделът запазва устойчивост, а статорните мощности следват своите задания, катоактивната мощност приема новата си стойност след кратък преходен процес. Роторнитемощности променят своя знак. Активната променя и своята големина, тъй като следстъпаловидното изменение загубите се покриват от ротора. Изменението на пълната активнамощност, която се отдава в мрежата от двойно захранения асинхронен генератор епредставено на Фигура 4.52. Вижда се, че при подсинхронна скорост на въртене на роторапълната активна мощност е по-малка, отколкото при надсинхронна скорост. Това се дължи напо-големите мощности, които се наблюдават в този режим, откъдето и загубите са по-големи.0-200-400-600-800PQP, WQ, VAr10008006004002000-200-400-600PQ-8000.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2time, sTotal powerMecanical powerRotor active powerRotor reactive powerФигура 4.51. Мощности в ротора при стъпаловидноизменение на активната мощност на статораP, W-1000-1200-1400-1600-1800-20000.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2time, sФигура 4.52. Изменение на пълната мощност на ДЗАГПроведена е симулация и на стъпаловидно изменение на заданието на реактивнатамощност. Мощностите следват своите задания, а моделът запазва устойчивост. Предвид целтана модела за бъдещото изследване на работата на ветрогенератори в паралел с електрическатамрежа е целесъобразно провеждането на симулация, при която входящата механична мощностсе изменя по начин, симулиращ стохастичното изменение на мощността на вятъра. Резултатътот тази симулация е показан на Фигура 4.55. Заданието за статорната активна мощност епостоянно и то се следва независимо от измененията на входящата механична мощност.В рамките на научноизследователски проект, финансиран от Министерството наобразованието, младежта и науката, е създаден физически модел на двойно захранен- 28 -

асинхронен генератор и изпитвателен стенд. Принципната му схема е показана на Фигура 4.56,а снимка от него е представена на Фигура 4.57. Моделът се състои от асинхронна машинаМАТ 20, микропроцесорна система dSPACE и електронни преобразуватели. За задвижване наасинхронния генератор се използва постояннотоков двигател. Микропроцесорната системаdSPACE позволява управлението на електронните преобразуватели в конфигурацията вреално време. За реализирането на това управление е необходимо симулационният модел дасе адаптира и имплементира в микропроцесорната система. Самото управление сеосъществява чрез софтуерен „пулт” в средата на ControlDesk (Фигура 4.64). В средата наdSPACE могат да се събират данни от различните датчици в експерименталния модел. Спомощта на тази функция са регистрирани експериментални данни при промени на заданиетона статорните мощности.0Input mechanical powerOutput stator powerStator power reference-500P, W-1000-15001 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5t, sФигура 4.55. Изменение на мощностите при симулиране на вятърПроведените експерименти са на плавно и внезапно изменение на заданието настаторната мощност при постоянна стойност на реактивната мощност (нулев обмен нареактивна мощност с мрежата или отдаване на реактивна мощност в мрежата), внезапнапромяна на заданието на реактивната мощност (от нулев обмен до отдаване или консумиране)и внезапна промяна на активната мощност (от отдаване на енергия през ротора доконсумиране).Електрозадвижванеω ri s123 , V s123i inv123ПТДАСГМрежаi r2 , i r3V dc≈==≈dSpace- 29 -Управление напреобразувателитеФигура 4.56. Принципна схема на експериментален модел на ДЗАГ

Фигура 4.57. Експериментален модел на ДЗАГФигура 4.64. "Пулт" за управление на постановката в ControlDeskВъв всички експерименти системата запазва стабилност, а измененията на заданията сеследват с преходен процес, дължащ се на инерцията на машината – електрическа и механична.Освен това се наблюдава взаимно влияние на мощностите, тъй като промяната на заданието заедна от мощностите предизвиква смущение в другата, което се дължи на взаимната връзкамежду напреженията и токовете по двете оси. Фигура 4.66 показва изменението на статорнитемощности и заданията им при работата на експерименталния модел. Снета е и осцилограма настаторните ток и напрежение и на роторния ток (Фигура 4.70).Със симулационния модел са проведени симулации, повтарящи експериментите.Фигура 4.72 представя измененията на статорните мощности. Наблюдава се разлика междусимулациите и експеримента в преходните процеси, които при изчисленията са по-бързипоради пренебрегнатата механична инертност на машината. Друга разлика се наблюдава във- 30 -

формата на статорните токове (Фигура 4.73), тъй като зъбните хармоници на машината не саотразени в симулационния модел.2000Q-200P, W / Q, VAr-400-600-800P-1000-12000 2 4 6 8 10t, sФигура 4.66. Статорни мощности при изменение на заданието за активната мощност (светло синьо ичервено - задания за активна и реактивна мощности; тъмно синьо и зелено – реални мощности)IrIstUФигура 4.70. Осцилограма на роторния ток (жълто) и статорните ток (синьо) и напрежение (розово)2000Q-200P, W / Q, VAr-400-600-800P-1000-1200-14000 2 4 6 8 10t, sФигура 4.72. Статорни мощности (светло синьо и червено - задания за активна и реактивна мощности;тъмно синьо и зелено – реални мощности; жълтозелено и розово – изчислени мощности)- 31 -

32ExperimentSimulation1Istator, A0-1-2-31.99 2 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05t, sФигура 4.73. Сравнение на експериментален (синьо) и симулационен (зелено) статорен токНаучно-приложни приноси:Приноси1. Създадени методи за подбор на подходящ тип вятърен генератор и на оптималнотосъотношение на мощностите на елементите във фотоволтаичните системи с отчитанена влиянието на различни характеристики на системата (наклон и технология намодулите, тип инвертор и място на инсталиране) (Глава 2).2. Създаден метод за изследване на взаимното допълване на вятърната и слънчеватаенергии с цел анализ на възможностите за постигане на непрекъснато захранване отхибридна система с ветрогенератори и фотоволтаични модули (Глава 2).3. Създаден модел тип „вход-изход” на група водна турбина-асинхронен генератор заизследване на бавно изменящи се процеси (Глава 2).4. Създадени методи за изследване на хибридни системи с вятърни и слънчевигенератори и запасяващо устройство (идеално и реално). При идеално запасяващоустройство се определя оптималната конфигурация според един от 4 критерия вавтономен режим и работа в паралел с електрическата мрежа. При реално устройствосе изследва работата на хибридна система с помпено-акумулираща водноелектрическацентрала в електрическа мрежа с ограничена мощност (Глава 3).5. Създаден експериментален модел на двойно захранен асинхронен генераторпосредством адаптиране и имплементиране на управляващите системи отсимулационния модел на двойно захранен асинхронен генератор в микропроцесорнатасистема dSpace (Глава 4).Приложни приноси:1. Програмно реализиране в средата на Matlab ® на подходи за обработка наметеорологични данни, модели на вятърни и слънчеви генератори за изследване набавно изменящи се процеси, както и на модели на елементите и прилежащите имсистеми за управление от различни конфигурации с асинхронни генератори заизследване на бързо изменящи се процеси (Глава 2 и Глава 4).2. Създадени библиотеки с характеристики на ветрогенератори и инвертори (Глава 2).- 32 -

Списък на публикациите на автора свързани сдисертационния труд1. G. Notton, V.Lazarov, Z.Zarkov, L.Stoyanov; “Optimizarion of Hybrid Systems with RenewableEnergy Sources: Trends for Research”, Proc. of Int. Symposium on Environment Identities andMediterranean Area ISEIM’06, Proceedings, pp. 144-149, Corse, 2006, France.2. L. Stoyanov, G. Notton, V. Lazarov; “Optimisation des systèmes multi-sources de productiond’électricité à énergies renouvelables”, Revue des Energies Renouvelables, vol. 10, num. 1,pp. 1-18, CDER 2007, Algérie.3. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; “Complementarity of solar and wind sources: application inBulgaria and Corsica”, 10th World Renewable Energy Congress, WREC X 2008, Proceedings,pp. 2254-2258, Glasgow, Scotland.4. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; “Ressources solaires et éoliennes – sont-elles sicomplémentaires ? Application à la Bulgarie et la Corse”, Revue « Liaison Energie –Francophonie », num. 79, pp. 80-84, IEEF 2008, Canada.5. V. Lazarov, L. Stoyanov, K. Bundeva,.Z. Zarkov, D. Spirov; “Modelling and simulation ofsquirrel cage induction generator”, Proceedings of the Technical University – Sofia, vol. 59, book2, pp. 84-93, 2009.6. V. Lazarov, L. Stoyanov, K. Bundeva,.Z. Zarkov, D. Spirov; “Modelling and simulation ofwound rotor induction generator”, Proceedings of the Technical University – Sofia, vol. 59, book2, pp. 94-102, 2009.7. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; “Solar/wind energies: production behaviour versus theelectrical load – application to Bulgarian sites”, International Conference on Energy Efficiencyand Agricultural Engineering 2009, Proceedings vol. 1, pp. 72-85, Rousse, Bulgaria.8. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; ”Islands Electrical Situation: increasing the integration ofPV and Wind Energy Plants in using the hydraulic potential: case study in Corsica”, Proceedingsof World Renewable Energy Congress XI, 25-30 September 2010, Abu Dhabi, UAE, pp. 2026-2031, 20109. V. Lazarov, G. Notton, L. Stoyanov, Z. Zarkov; “Modeling of Doubly Fed Induction Generatorwith Rotor-side Converter for Wind Energy Conversion Application”, Proceedings of theTechnical University – Sofia, vol. 60, book 1, pp. 289-298, 201010. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; “Optimal sizing of a grid-connected PV system for variousPV module technologies and inclinations, inverter efficiency characteristics and locations",Journal of Renewable Energy, vol. 35, issue 2, pp. 541-554, Elsevier 2010.11. G. Notton, V. Lazarov, L. Stoyanov; “Productivity of small wind turbines for various windpotentials conditions: Application in Bulgaria and Corsica", International Journal of RenewableEnergy Technology, vol. 1, No 3, pp. 237-255, 2010.12. L. Stoyanov; “Structures de systèmes hybrides à sources d’énergie renouvelables”, Revue degénie industriel, vol. 5, pp. 1-19, UCTM 2010.- 33 -

Study of different structures of hybrid systems with renewableenergy sourcesThe objective of this work realized in joint supervision between the Technical University ofSofia and the University of Corsica, consists in studying various configurations of hybrid systemsusing renewable energy sources in two cases: slow variation process (energy aspect – energy balance)and rapid variation (electrical aspect).A review based on recent international literature has been performed on hybrid energy systemboth stand alone and grid connected.The particularity of energy systems using renewable sources is the energy source randomcharacter. Thus, it is necessary to know the resource variation before a comprehensive study of thesystem behaviour. A study of the wind energy and solar potential was implemented on the basis ofmeteorological data from Bulgaria and Corsica and the complementarity of these two resources wasstudied at different time scale. The various stations characteristics are very different both in terms ofenergy potential and temporal distribution, making the results obtained in the later work moreuniversal.The various models describing the behaviour of the hybrid system organs are described andvalidated: photovoltaic and wind energy generators. The objective of this work consists in theanalysis of performances of a Wind/PV/storage system and in its optimal sizing. In a first part, theenergy storage is considered as ideal (efficiency equal to 1) and is sized for autonomous or gridconnected operation mode with several optimization criteria: minimal difference between theproduced and consumed energy, minimum number of faults, minimum faults duration and minimumno-satisfied energy. The results show the interest of storage what ever the running mode is. Thechoice of adapted storage mean was realized after a general presentation of existing storage meansand we chose hydro pumping storage. We developed a method for study the PV/Wind/hydropumpingstorage system behaviour into a limited electrical grid in view to estimate the impact of such storageon the renewable energy systems integration limit level. A case study has been applied to an energysituation similar to the existing in Corsica. The results showed that the storage integration allows thenot used renewable energy decrease, the penetration rate increasing and the conventional energy usedecrease.Concerning the rapid variation process, our attention was focused to the hybrid system organsin which an asynchronous machine take part. Models of induction machines, voltage sourceconverters and control systems were developed. Simulations were performed for three configurations:an asynchronous generator with squirrel cage rotor, an asynchronous machine with wound rotor withsupplementary resistances and a doubly fed induction machine. The simulation model givessatisfying results during the quantitative and qualitative evaluation. We developed an experimentalmodel of the doubly fed induction generator. The simulation model has been adapted andimplemented in a microprocessor system dSPACE allowing the control in real time of the rotorpower converters. The experimental results show a good control operation and will allow wide futurestudies.- 34 -