Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας

Στο βιβλίο αυτό περιλαμβάνεται η ύλη του μαθήματος «Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας» που διδάσκεται στους φοιτητές του Γ’ έτους σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών.
Παρόλο που το μάθημα είναι εισαγωγικό και απευθύνεται σε όλους τους φοιτητές του τμήματος ανεξαρτήτως κύκλου σπουδών που θα επιλέξουν, καταβλήθηκε προσπάθεια ώστε για το μεγαλύτερο μέρος της ύλης το εύρος της παρεχόμενης επιστημονικής γνώσης να είναι το πληρέστερο δυνατόν. Μόνο ένα μικρό τμήμα της ύλης έχει ενημερωτικό χαρακτήρα και παρουσιάζεται με συνοπτικό τρόπο καθόσον αναφέρεται σε θέματα εξειδικευμένα που θα αναπτυχθούν διεξοδικά στα πλαίσια μαθημάτων του κύκλου σπουδών Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας στο τέταρτο κυρίως έτος σπουδών.
Επειδή οι θεμελιώδεις φυσικές έννοιες αποτελούν τη βάση για την δημιουργική άσκηση της επιστήμης του μηχανικού και αποτελούν το πιο πολύτιμο και μόνιμο μέρος μιας εκπαίδευσης μηχανικού, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στις φυσικές έννοιες ενώ συγχρόνως δόθηκε και η οφειλόμενη προσοχή στις μαθηματικές τεχνικές. Καταβλήθηκε ιδιαίτερη προσπάθεια ώστε όλο το υλικό που παρουσιάζεται στο βιβλίο να συνοδεύεται από αντιπροσωπευτικά αριθμητικά παραδείγματα, ώστε αφενός να διευκρινίζονται θεωρητικά θέματα αφετέρου να τονίζονται ιδιαιτέρου ενδιαφέροντος τεχνικά θέματα.
Το βιβλίο πραγματεύεται όλο εκείνο το υλικό που είναι απαραίτητο για να δημιουργηθεί το μοντέλο ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας από τη σύνθεση των μοντέλων των επί μέρους συνιστωσών του, για να μπορεί να εκτιμηθεί η συμπεριφορά του στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Κατά την ανάπτυξη των μοντέλων των διαφόρων συνιστωσών δίνεται όπου είναι δυνατόν χρήσιμη πληροφορία για τον τρόπο λειτουργίας ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, έτσι ώστε να υπάρχει μια συνολική εικόνα των λειτουργικών του χαρακτηριστικών.
Η ύλη του βιβλίου χωρίζεται σε εννέα κεφάλαια.
Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγική παρουσίαση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ξεκινώντας από μια ιστορική ανασκόπηση της εξέλιξής τους και αναφέροντας στη συνέχεια θέματα σχετικά με τις βασικές λειτουργίες τους, τη δομή τους και την παράστασή τους. Στο ίδιο κεφάλαιο δίνονται πληροφοριακά στοιχεία για το ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας και συζητούνται θέματα σχετικά με την απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας.
Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση βασικών εννοιών από τη θεωρία κυκλωμάτων που κρίνονται πολύ χρήσιμες για το μηχανικό των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ συγχρόνως εξοικειώνονται οι σπουδαστές με την ορολογία και τους συμβολισμούς που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στη μέθοδο που ακολουθούμε για την ανάλυση κυκλωμάτων εναλλασσόμενου ρεύματος στη μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση λειτουργίας και διευκρινίζονται πλήρως οι έννοιες της πραγματικής και αέργου ισχύος καθώς και της μιγαδικής ισχύος. Στα πλαίσια αυτού του κεφαλαίου γίνεται επίσης διεξοδική ανάπτυξη της τεχνικής της ανά μονάδα παράστασης των ηλεκτρικών ποσοτήτων.
Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται διεξοδικά οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν συμβατικές πηγές ενέργειας καθώς και οι εναλλακτικές μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η σύγχρονη μηχανή με έμφαση στα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν τη συμπεριφορά της στη μόνιμη κατάσταση και στα χαρακτηριστικά της που είναι σημαντικά από τη σκοπιά του συστήματος, αυτά, δηλαδή, που καθορίζουν τη συμπεριφορά της όταν αυτή λειτουργεί στα πλαίσια ενός μεγάλου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.
Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο μετασχηματιστής ισχύος τόσο ο μονοφασικός όσο και οι τριφασικοί και δίνεται έμφαση στη λειτουργία τους στα πλαίσια ενός συστήματος. Στο ίδιο κεφάλαιο συζητούμε για τη λειτουργία των μετασχηματιστών ως συσκευών ελέγχου, αναφερόμενοι στους μετασχηματιστές που διαθέτουν λήψεις για την αλλαγή του λόγου μετασχηματισμού υπό φορτίο καθώς και στους μετασχηματιστές ρύθμισης τάσης που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της τάσης και της ροής ισχύος.
Στο κεφάλαιο 6 παράγονται σχέσεις για τον υπολογισμό των δύο βασικών παραμέτρων της γραμμής μεταφοράς, δηλαδή της εν σειρά επαγωγής L και της εγκάρσιας χωρητικότητας C.
Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα μοντέλα των γραμμών μεταφοράς μικρού, μεσαίου και μεγάλου μήκους και μελετώνται οι παράγοντες που επηρεάζουν την συμπεριφορά μιας γραμμής μεταφοράς που λειτουργεί στα πλαίσια ενός μεγάλου συστήματος. Στο κεφάλαιο αυτό δίνονται οι βασικές αρχές για την προκαταρκτική σχεδίαση μιας γραμμής μεταφοράς.
Στο κεφάλαιο 8 αναπτύσσονται τεχνικές για τη δημιουργία του μοντέλου ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας από τη σύνθεση των μοντέλων των επί μέρους συνιστωσών του.
Στο κεφάλαιο 9, τέλος, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών μελετών που απαιτούνται για την εκτίμηση της συμπεριφορά ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας τόσο στη μόνιμη όσο και σε μεταβατικές καταστάσεις λειτουργίας.

Περιεχόμενα

Κεφάλαιο 1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ

1. Ιστορική ανασκόπηση
2. Βασικές λειτουργίες συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας
3. Δομή συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας
4. Παράσταση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας
5. Το ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας
6. Απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας

Κεφάλαιο 2
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

1. Γενικά
2. Ανάλυση κυκλώματος στη μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση λειτουργίας
3. Ισχύς σε μονοφασικά κυκλώματα εναλλασσομένου ρεύματος
4. Συμμετρικά τριφασικά κυκλώματα εναλλασσομένου ρεύματος
5. Το ανά μονάδα σύστημα

Κεφάλαιο 3
ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1. Εισαγωγή
2. Ατμοηλεκτρικοί σταθμοί
3. Αεριοστροβιλικοί σταθμοί
4. Σταθμοί συνδυασμένου κύκλου
5. Ντιζελοηλεκτρικοί σταθμοί
6. Υδροηλεκτρικοί σταθμοί
7. Πυρηνικοί σταθμοί
8. Μαγνητοϋδροδυναμική παραγωγή (ΜΥΔ)
9. Μη συμβατικές πηγές ενέργειας
10. Αιολική ενέργεια
11. Ηλιακή ενέργεια
12. Ενέργεια από βιομάζα
13. Γεωθερμική ενέργεια
14. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην ΕΕ
15. Αποθήκευση ενέργειας
16. Φορτία

Κεφάλαιο 4
Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ

1. Εισαγωγή
2. Περιγραφή της σύγχρονης μηχανής
3. Επαγωγικές παράμετροι σύγχρονης μηχανής
4. Εξισώσεις τάσης σύγχρονης μηχανής
5. Ο μετασχηματισμός Park
6. Σχέση φασικού διανύσματος και d-, q- συνιστωσών
7. Μοντέλα μηχανής στη μόνιμη κατάσταση
8. Πραγματική και άεργος ισχύς μηχανής
9. Έλεγχος πραγματικής και άεργου ισχύος σύγχρονης μηχανής
10. Συγχρονισμός γεννήτριας σε δίκτυο
11. Καμπύλες ικανότητας φόρτισης γεννητριών
12. Μεταβατική συμπεριφορά σύγχρονης μηχανής

Κεφάλαιο 5
Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

1. Εισαγωγή
2. Χαρακτηριστικά μετασχηματιστών ισχύος
3. Σύντομη ανασκόπηση μαγνητικών κυκλωμάτων
4. Ο μονοφασικός μετασχηματιστής δυο τυλιγμάτων
5. Τριφασικοί μετασχηματιστές
6. Παράλληλη σύνδεση μετασχηματιστών
7. Μετασχηματιστές πολλών τυλιγμάτων
8. Αυτομετασχηματιστές
9. Ο μετασχηματιστής ως συσκευή ελέγχου

Κεφάλαιο 6
ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

1. Εισαγωγή
2. Τύποι αγωγών
3. Εν σειρά αντίσταση γραμμής μεταφοράς
4. Επαγωγή γραμμής μεταφοράς
5. Χωρητικότητα γραμμής μεταφοράς

Κεφάλαιο 7
ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

1. Εισαγωγή
2. Εξισώσεις τάσης και ρεύματος σε γραμμή μεταφοράς
3. Ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς
4. Προσεγγιστικά ισοδύναμα κυκλώματα γραμμής μεταφοράς
5. Γραμμή χωρίς απώλειες – Φυσικό φορτίο
6. Ισχύς μέσω γραμμής μεταφοράς – Κυκλικά διαγράμματα ισχύος
7. Ικανότητα φόρτισης γραμμών μεταφοράς
8. Ρύθμιση τάσης γραμμής μεταφοράς – Εγκάρσια αντιστάθμιση
9. Μεταφορά με συνεχές ρεύμα

Κεφάλαιο 8
ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

1. Εισαγωγή
2. Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος
3. Ανά μονάδα μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος

Κεφάλαιο 9
ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1. Εισαγωγή
2. Διασυνδεδεμένα ΣΗΕ και ανάλυση τους
3. Ανάλυση ροής φορτίου
4. Οικονομική λειτουργία ΣΗΕ
5. Βραχυκυκλώματα και προστασία ΣΗΕ
6. Ευστάθεια ΣΗΕ
7. Αστάθεια τάσης στα ΣΗΕ
8. Συνεισφορά των υπολογιστών στην ανάλυση ΣΗΕ
9. Ο μηχανικός των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας

Βιβλιογραφία