Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ : ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ, ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ, ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΑΡΑΤΖΑ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ Αριθμός Μητρώου : Θέμα «Σύγκριση δυναμικής συμπεριφοράς του Σύγχρονου Αντισταθμιστή και του Στατικού Αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC)» Επιβλέπων Γαβριήλ B. Γιαννακόπουλος, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Πάτρα, Οκτώβριος 2012

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Σύγκριση δυναμικής συμπεριφοράς του Σύγχρονου Αντισταθμιστή και του Στατικού Αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC)» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΑΡΑΤΖΑ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ Αριθμός Μητρώου : Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Σύγκριση δυναμικής συμπεριφοράς του Σύγχρονου Αντισταθμιστή και του Στατικού Αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC)» Φοιτητής: Χρήστος Α. Καρατζάς Επιβλέπων: Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών.

6 Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών.

7 Abstract The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the currentvoltage characteristic and the analytic description of the control system s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.

8

9 Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω αρχικά τους γονείς μου για την πολύτιμη τους συμπαράσταση, την ενθάρρυνσή τους να συνεχίσω τις σπουδές μου και την οικονομική τους στήριξη όλα αυτά τα χρόνια. Επιπλέον, οφείλω μέσα από την καρδιά μου ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ στη Μαριάννα, την Αλέξια, τον Οδυσσέα και τον Γιάννη για την αμέριστη υποστήριξη, κατανόηση και την υπομονή που έδειξαν στο πρόσωπο μου ιδιαίτερα στο τελευταίο έτος των σπουδών μου. Στα παραπάνω πρόσωπα που αναφέρθηκαν αφιερώνω με μεγάλη μου χαρά την παρούσα εργασία. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κύριο Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλο, καθηγητή του τμήματος, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου τη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αλλά και για την άψογη συνεργασία μας κατά την εκπόνηση της, όπως επίσης και τον υποψήφιο διδάκτορα Γεώργιο Κωνσταντόπουλο για την πολύτιμη βοήθεια και τις εύστοχες παρατηρήσεις του. Χρήστος Α. Καρατζάς Πάτρα, Οκτώβριος 2012 No matter how powerful you become, never try to shoulder everything alone. Otherwise you will undoubtedly fail. Do not forget your friends Uchiha Itachi

10

11 Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Το Πρόβλημα της Ηλεκτρικής Ενέργειας Η έννοια της Ποιότητας Ισχύος Βασικές Αρχές Ελέγχου Ροής Ισχύος Έλεγχος Παραγωγής και Διασυνδέσεις των ΣΗΕ Το Απλό Μοντέλο Δύο Μηχανών Περιορισμοί της Μεταφερόμενης Ισχύος στη Μόνιμη Κατάσταση Λειτουργίας Έλεγχος Ροής Ισχύος με FACTS Έλεγχος Αέργου Ισχύος και Αστάθεια Τάσης στα ΣΗΕ Η Σημασία του Ελέγχου Αέργου Ισχύος Αστάθεια Τάσης στα Σύγχρονα ΣΗΕ Ορισμός της Αστάθειας Τάσης Επεξήγηση του Φαινομένου της Αστάθειας Τάσης Χρονική Διάρκεια της Αστάθειας Τάσης.29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΜΕ ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ AC ΡΕΥΜΑΤΟΣ (FACTS) Οι Κλασσικές Μέθοδοι Αντιστάθμισης Σειριακή Αντιστάθμιση Εγκάρσια Αντιστάθμιση Ρύθμιση Φασικής Γωνίας και Μέτρου της Τάσης Ανεπάρκεια Κλασσικών Μεθόδων Αντιστάθμισης Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος (FACTS) Εισαγωγή των FACTS στα Σύγχρονα ΣΗΕ Οι Στόχοι των FACTS Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς (FACTS) Ελεγχόμενα από Θυρίστορ Σειριακή Αντιστάθμιση Εγκάρσια Αντιστάθμιση 39

12 2.3.3 Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς (FACTS) Ελεγχόμενα από Μετατροπείς ισχύος Σειριακή Αντιστάθμιση Εγκάρσια Αντιστάθμιση Ρύθμιση Φασικής Γωνίας..45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : Ο ΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ (SYNCHRONOUS CONDENSER) Ορισμός του Σύγχρονου Αντισταθμιστή Μαθηματικό Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Επαγωγικές Παράμετροι Σύγχρονης Μηχανής Εξισώσεις Τάσης Σύγχρονης Μηχανής Εξισώσεις Κίνησης Δρομέα Σύγχρονης Μηχανής Ισχύς Σύγχρονης Μηχανής Ο Μετασχηματισμός Park Μοντέλα Συστήματος Διέγερσης Σύστημα Διέγερσης Τύπου DC Σύστημα Διέγερσης Τύπου ΑC Σύστημα Διέγερσης Τύπου ST Σύστημα Διέγερσης Τύπου Στερεάς Κατάστασης Μοντελοποίηση του Σύγχρονου Αντισταθμιστή στο Πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Σχεδίαση του Ενεργειακού Συστήματος Σχεδίαση του Σύγχρονου Αντισταθμιστή..66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : Ο ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ (STATIC VAR COMPENSATOR-SVC) Ορισμός του Στατικού Αντισταθμιστή (SVC) Βασικές Αρχές Λειτουργίας TSC και TCR Βασικές Συνιστώσες Συστήματος Ελέγχου του SVC Το Σύστημα Μετρήσεων (Measurement System).78

13 4.3.2 Ο Ρυθμιστής Τάσης (Voltage Regulator) Η Γεννήτρια Παραγωγής Παλμών (Gate-Pulse Generator) Το Σύστημα Συγχρονισμού (Synchronizing System) Συμπληρωματικές Λειτουργίες Ελέγχου και Προστασίας (Suplementary Control and Protection Functions) Μεταφερόμενη Ισχύς Γραμμής με Αντιστάθμιση SVC Χαρακτηριστική V-I του SVC Μοντελοποίηση SVC στο Πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Σχεδίαση Κύριου Κυκλώματος του SVC Σχεδίαση Συστήματος Ελέγχου του SVC..91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PSCAD/EMTDC Διαφορετικοί Τύποι Σφαλμάτων Μονοφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Διφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Τριφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Διαφορετικές Τοποθεσίες Σφαλμάτων Διαφορετικά SCR (Short-Circuit Ratio) Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις..128 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΑΝΑΦΟΡΕΣ...135

14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1 Το πρόβλημα της Ηλεκτρικής Ενέργειας Η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας τον 20 ο αιώνα είχε μία αλματώδη αύξηση, ενώ τον 21 ο αιώνα η αύξηση αυτή πολλαπλασιάστηκε. Μέχρι το 2020 εκτιμάται ότι θα έχουμε αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά 76% σε σχέση με το Η ετήσια αύξηση για τα ανεπτυγμένα κράτη εκτιμάται σε 1.5%, ενώ η αύξηση στις υπό ανάπτυξη χώρες τις Ασίας, της Αφρικής και της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής θα είναι εμφανώς πολύ μεγαλύτερη, δεδομένου ότι εκτιμάται ότι περίπου 1.5 δισεκατομμύρια άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση στον ηλεκτρισμό. Για να καλυφθεί η ραγδαία αύξηση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ήταν απαραίτητη μία δραστική αύξηση σε μέγεθος και πολυπλοκότητα των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Στην αύξηση του μεγέθους των ΣΗΕ και τη δυσκολία λειτουργίας τους συνέβαλε σημαντικά και το γεγονός ότι συνήθως οι διαθέσιμες πηγές ενέργειας είναι απομακρυσμένες από τα κέντρα κατανάλωσης. Για τη λειτουργία ενός τόσο εκτεταμένου και πολύπλοκου συστήματος ήταν απαραίτητη η άμεση χρήση και αξιοποίηση όλων των σύγχρονων τεχνολογικών ανακαλύψεων. Με την εφαρμογή τους είχαμε μία συνεχή βελτίωση στην αποδοτικότητα και την αξιοπιστία των μεθόδων και των εξοπλισμών που χρησιμοποιούνταν στην παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα την ευσταθή και αξιόπιστη λειτουργία των ΣΗΕ. 13

16 Μεγάλη δυσκολία στην επίτευξη αξιόπιστης λειτουργίας των ΣΗΕ είναι η μέχρι σήμερα αδυναμία αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η αδυναμία σε συνδυασμό με τις ημερήσιες μεταβολές του φορτίου επιβάλλει τη συνεχή προσαρμογή της παραγωγής στο κυμαινόμενο φορτίο, με διατήρηση της τάσης και της συχνότητας στις ονομαστικές τους τιμές. Το δύσκολο αυτό έργο αναλαμβάνουν να εκτελέσουν ο τοπικός και κεντρικός έλεγχος των ΣΗΕ. Επιπρόσθετα προβλήματα στη λειτουργία των ΣΗΕ προκαλούν και οι σημαντικές διαταραχές που εμφανίζονται σε αυτό από την πτώση κεραυνών, τις διακοπτικές λειτουργίες και τα βραχυκυκλώματα (συμμετρικά και ασύμμετρα). Ακόμα και μετά από αυτές τις διαταραχές σε πολύ ζωτικά σημεία τους τα ΣΗΕ πρέπει να συνεχίζουν την αξιόπιστη, ασφαλή και οικονομική λειτουργία τους. Οι μηχανικοί των ΣΗΕ υπολογίζουν την ικανότητα ενός δικτύου να παραμένει σε συγχρονισμό μετά από σημαντικές διαταραχές με την πραγματοποίηση μελετών μεταβατικής ευστάθειας και αν αυτό δεν είναι δυνατόν προτείνουν δομικές αλλαγές του ή αποφυγή λειτουργικών καταστάσεων που οδηγούν σε αστάθεια τα ΣΗΕ. Η ταχεία ανάπτυξη των ΣΗΕ για την κάλυψη της ραγδαίας αύξησης των ηλεκτρικών φορτίων απαιτεί την επέκταση του συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και την κατασκευή νέων σταθμών παραγωγής. Αυτό, σε παγκόσμιο επίπεδο, είναι συχνά δύσκολο να επιτευχθεί, λόγω των συνεχώς αυξανόμενων αντιδράσεων, που οφείλονται κύρια στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των γραμμών μεταφοράς και των σταθμών. Αυτός ο λόγος μαζί με την ανάγκη ελαχιστοποίησης του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας και την ανάπτυξη νέων ημιαγωγών στοιχείων στερεάς κατάστασης, οδήγησαν από τη δεκαετία του 80 μέχρι και σήμερα, στην ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς που ονομάστηκαν «Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος» ή με τον αγγλικό όρο «Flexible AC Transmission Systems» (FACTS). Αυτή η τεχνολογία μπορεί να αυξήσει το βαθμό χρησιμοποίησης της εγκατεστημένης ικανότητας μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, αντιμετωπίζοντας τους περιορισμούς ευστάθειας, ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος και ελέγχου του μέτρου και της γωνίας της τάσης. Με τη βοήθεια της επεκτάθηκε η χρήση των γραμμών εναλλασσομένου ρεύματος και σε περιπτώσεις που προηγουμένως δεν ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους. Στην τεχνολογία των FACTS θα αναφερθούμε με περισσότερες λεπτομέρειες στο επόμενο κεφάλαιο. 14

17 Επιπρόσθετα, από το τέλος της δεκαετίας του 70, άρχισε η αναμόρφωση ή κατά άλλους απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, που στο τελικό της στάδιο φιλοδοξεί να δώσει τη δυνατότητα σε κάθε καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας να επιλέγει τον προμηθευτή του. Οι υποστηρικτές αυτής της ιδέας πιστεύουν ότι η ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας και η ελάττωση του κόστους της μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τον ανταγωνισμό στην παραγωγή και τη διανομή της, δηλαδή να υπάρχουν πολλές εταιρείες παραγωγής και διανομής και να αναπτύσσεται μεταξύ τους ανταγωνισμός. Η απελευθέρωση όμως της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι από τα πιο σύνθετα τεχνοοικονομικά προβλήματα, γιατί η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται και διανέμεται μέσω του δικτύου χωρίς να έχει συγκεκριμένες διευθύνσεις. Συνεπώς, αφενός για να γίνει δυνατή η επιλογή του προμηθευτή από τον καταναλωτή πρέπει να εξευρεθούν και να εφαρμοσθούν συμπληρωματικές λειτουργίες στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, αφετέρου η ποιότητα του ηλεκτρισμού και οι φυσικοί περιορισμοί του συστήματος επιβάλλουν αυστηρές προδιαγραφές για την ασφαλή λειτουργία του. Η δυνατότητα ανταγωνισμού στην παραγωγή έγινε δυνατή με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των στροβίλων και την πτώση των τιμών φυσικού αερίου. Αυτοί οι λόγοι κατέστησαν τις σχετικά μικρές μονάδες παραγωγής συνδυασμένου κύκλου ανταγωνιστικές των μεγάλων θερμικών μονάδων και ανέτρεψαν τη φιλοσοφία κατασκευής μεγάλων μονάδων για την ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής. 1.2 Η έννοια της Ποιότητας Ισχύος Τα τελευταία χρόνια το σύστημα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας καλείται να αντιμετωπίσει καινούργια δεδομένα και προκλήσεις. Η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας, η μεγάλη αύξηση του φορτίου, η αυξανόμενη συμμετοχή στο δίκτυο των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας αλλά και η χρήση φορτίων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά δημιουργούν ένα καινούργιο περιβάλλον με μεγάλες απαιτήσεις. Οι οικονομικές συνέπειες από τα προβλήματα που προκύπτουν κατά την λειτουργία του δικτύου τόσο για τις εταιρείες ηλεκτρισμού όσο και για τους καταναλωτές δημιουργούν την ανάγκη για μεγαλύτερη εποπτεία και άμεση αντιμετώπιση των προβλημάτων. 15

18 Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) αφορά ένα μεγάλο αριθμό ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων-διαταραχών που εμφανίζονται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αν και καινούργιος όρος, η ποιότητα ισχύος καλύπτει φαινόμενα ήδη γνωστά τα οποία όμως αποκτούν διαφορετική και μεγαλύτερη σημασία στα μοντέρνα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Η αύξηση των ευαίσθητων σε διαταραχές φορτίων αλλά και των φορτίων που δημιουργούν διαταραχές και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις για αξιοπιστία, καθιστούν την ποιότητα ισχύος σημαντική παράμετρο της λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος με μεγάλη οικονομική σημασία. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η ποιότητα ισχύος είναι μια θεώρηση των πραγμάτων με κέντρο βάρους τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. Τα προβλήματα που καλύπτει είναι σημαντικά είτε γιατί συνδέονται με αυξημένο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας (για βιομηχανικούς καταναλωτές) είτε ακόμα και με ανθρώπινες ζωές όταν για παράδειγμα οι καταναλωτές είναι νοσοκομεία, σχολεία ή αεροδρόμια. Η διακοπή λειτουργίας ενός φορτίου για πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις συνεπάγεται μεγάλες απώλειες για την παραγωγή τους. Οι απώλειες μπορεί να είναι ακόμα μεγαλύτερες σε περιπτώσεις όπου η επανεκκίνηση του φορτίου είναι χρονοβόρα. Οι εταιρίες ηλεκτρισμού σε όλο τον κόσμο δραστηριοποιούνται αναφορικά με την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος. Η EDF στη Γαλλία προσφέρει ήδη συμβόλαια τα οποία λαμβάνουν υπόψη τους την ποιότητα ισχύος. Παράλληλα αναπτύσσει ένα εκτεταμένο δίκτυο μετρήσεων για άμεση αντιμετώπιση των προβλημάτων και ενημέρωση των πελατών της. Στην Σιγκαπούρη, χώρα στην οποία βρίσκονται πολλά εργοστάσια κατασκευής ημιαγωγών και συσκευών υψηλής τεχνολογίας, γίνεται προσπάθεια βελτίωσης της παρεχόμενης ποιότητας ισχύος έτσι ώστε να ικανοποιηθούν οι μεγάλες απαιτήσεις των υπαρχόντων πελατών αλλά και προκειμένου να προσελκύσουν καινούργια εργοστάσια στη χώρα. Στο Detroit των ΗΠΑ, το 1994 υπογράφθηκαν τα πρώτα συμβόλαια που εκτός από τις διακοπές περιελάμβαναν δεσμεύσεις της εταιρίας ηλεκτρισμού για τις βυθίσεις τάσεις. Η εταιρία ηλεκτρισμού Detroit Edison και μεγάλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων προχώρησαν στη σύναψη τέτοιων συμφωνιών προκειμένου η μεν εταιρία να εγγυηθεί τη διαρκή προσπάθειά της για βελτίωση της ποιότητας ισχύος, οι δε εταιρίες να εξασφαλίσουν την ελαχιστοποίηση των κινδύνων που συνεπάγονται προβλήματα στην ηλεκτρική ισχύ. Στην Ευρώπη οι συζητήσεις για την ποιότητα ισχύος και τις δεσμεύσεις σχετικά με αυτή, έχουν ως αφετηρία την Κοινοτική Οδηγία 85/374/EEC του 1985 που αφορά γενικά τις ευθύνες παραγωγών αναφορικά με τα προϊόντα τους. Σύμφωνα με το άρθρο 1 της Οδηγίας, ο παραγωγός θα πρέπει να είναι υπόλογος για ζημιά που θα 16

19 προκαλέσει ελάττωμα του προϊόντος, ενώ στο άρθρο 3 της Οδηγίας δηλώνεται ότι ο όρος «προϊόν» αναφέρεται και στην ηλεκτρική ενέργεια. Τα στάνταρτ ΕΝ50160, IEC αλλά και οι προτεινόμενες πρακτικές του IEEE ασχολούνται με τον ορισμό των φαινομένων, τη λεπτομερή περιγραφή του τρόπου μετρήσεως τους και τον καθορισμό ορίων για τη λειτουργία του συστήματος. Τα σημαντικότερα φαινόμενα τα οποία καλύπτει ο όρος της ποιότητας ισχύος είναι: Βυθίσεις τάσης Διακοπές (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας) Υπερτάσεις (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας) Φλίκερ Ασυμμετρία φάσεων Αρμονικές 1.3 Βασικές Αρχές Ελέγχου Ροής Ισχύος Έλεγχος Παραγωγής και Διασυνδέσεις των ΣΗΕ Η λειτουργία των ΣΗΕ άρχισε το 1880 και από τότε μέχρι και σήμερα είχαν μία μεγάλη αύξηση στο μέγεθος και την πολυπλοκότητα τους. Οι μέθοδοι και οι συσκευές τους για την παραγωγή, μεταφορά και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας βελτιώνονται συνέχεια σε απόδοση και αξιοπιστία. Ο έλεγχος των ΣΗΕ είναι απαραίτητος ώστε να διατηρηθεί μία συνεχής ισορροπία μεταξύ της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και του μεταβαλλόμενου ηλεκτρικού φορτίου, ενώ ταυτόχρονα πρέπει να διατηρούν τις ονομαστικές τους τιμές η συχνότητα και οι τάσεις των ζυγών με εξασφαλισμένη την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Επιπλέον, επιδιώκεται το κόστος παραγωγής να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Όταν για την κάλυψη της μεταβολής του φορτίου δεν είναι αρκετή η διαθέσιμη ισχύς μίας μονάδας παραγωγής, η κατανομή του φορτίου μεταξύ των σταθμών παραγωγής είναι μια σημαντική λειτουργία, η οποία ταυτόχρονα πρέπει να εξασφαλίζει το 17

20 ελάχιστο κόστος και να επιλύεται συνέχεια. Ευτυχώς, οι μεταβολές της συχνότητας του συστήματος είναι μία ένδειξη των ανισορροπιών μεταξύ του φορτίου και παραγωγής και χρησιμοποιούνται για το γρήγορο έλεγχο της παραγωγής. Σήμερα, η λειτουργία των ΣΗΕ σε μορφή διασυνδεδεμένων δικτύων προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα και οι διασυνδέσεις αυτές επεβλήθησαν από την ανάγκη συνεργασίας των ΣΗΕ με σκοπό την οικονομικότερη, ασφαλέστερη και πιο αξιόπιστη λειτουργία τους. Οι σημαντικότερες από τις δυνατότητες που προσφέρουν τα διασυνδεδεμένα ΣΗΕ είναι: Ο περιορισμός των επιπλέον μονάδων παραγωγής που απαιτούνται για την κάλυψη του μεγίστου φορτίου ή των ξαφνικών, απροσδόκητων μεταβολών φορτίου (τη λεγόμενη θερμή ή στρεφόμενη εφεδρεία αντίστοιχα). Αυτό επιτυγχάνεται με τις διαρκείς ανταλλαγές ισχύος που πραγματοποιούν μεταξύ τους. Η καλύτερη αξιοποίηση των αποδοτικότερων μονάδων των ΣΗΕ και αυτό μειώνει το κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Απαραίτητη βέβαια προϋπόθεση για την διασύνδεση π.χ. δύο γειτονικών ΣΗΕ είναι η λειτουργία τους με την ίδια ονομαστική συχνότητα λειτουργίας αλλά και ο συγχρονισμός μεταξύ όλων των διαθέσιμων μονάδων παραγωγής τους Το Απλό Μοντέλο Δύο Μηχανών Γενικότερα, η ενεργός και άεργος ισχύς σε μια γραμμή μεταφοράς εξαρτώνται από τα μέτρα των τάσεων αναχώρησης και άφιξης και από τις αντίστοιχες φασικές γωνίες τους καθώς και από την επαγωγική αντίδραση της γραμμής. Για να γίνει ευκολότερη η κατανόηση των βασικών εννοιών περί της ροής ισχύος, χρησιμοποιούμε το απλό μοντέλο των δύο μηχανών, το οποίο φαίνεται στο σχήμα

21 Σχήμα 1.1 : Μοντέλο δύο μηχανών Η γραμμή μεταφοράς μεταξύ δύο μηχανών θεωρείται χωρίς απώλειες με επαγωγική αντίδραση X. Η τάση V R στο άκρο άφιξης θεωρείται ως τάση αναφοράς, δηλαδή έχει γωνία μηδέν. Η σχέση που συνδέει φαινόμενη, ενεργό και άεργο ισχύ είναι η ακόλουθη: S = P + jq = VI * (1.1) Για το άκρο αναχώρησης της γραμμής προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις : PS = PMAX sinδ (1.2) QS= VS 2 /X - PMAX cosδ (1.3) Επιπλέον, για τον άκρο άφιξης της γραμμής προκύπτουν οι αντίστοιχες σχέσεις : SR= PR + jqr = VRI * (1.4) PR = PMAX sinδ (1.5) QR= PMAX cosδ - VR 2 /X (1.6) όπου VS, VR τα μέτρα των τάσεων αναχώρησης και άφιξης αντίστοιχα, δ η μεταξύ τους φασική διαφορά (γωνία ισχύος της γραμμής) και PMAX= VS VR /X η μέγιστη μεταφερόμενη ενεργός ισχύς μέσω της γραμμής. Οι εξισώσεις τόσο για την εισερχόμενη ενεργό ισχύ PS όσο και για την εξερχόμενη ενεργό ισχύ PR είναι ισοδύναμες, διότι υποθέσαμε ότι έχουμε σύστημα χωρίς απώλειες. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.2 η μέγιστη μεταφερόμενη ενεργός ισχύς PMAX, προκύπτει για γωνία δ=90 ο. 19

22 Σχήμα 1.2 :Καμπύλη ενεργού ισχύος γωνίας Αν ληφθούν υπόψη και οι ωμικές απώλειες, τότε η τιμή της γωνίας δ για την οποία έχουμε μέγιστη μεταφερόμενη ισχύ είναι διαφορετική. Το αν το σύστημα είναι ευσταθές ή όχι εξαρτάται από το αν η παράγωγος dp είναι αντίστοιχα θετική ή αρνητική. Η μέγιστη dδ ισχύς PMAXπου μπορεί να μεταφερθεί χωρίς να αποσυγχρονισθούν οι μηχανές των άκρων dp αναχώρησης και άφιξης προκύπτει για μηδενική τιμή της παραγώγου και αποτελεί το dδ στατικό όριο ευστάθειας. Πρακτικά ένα σύστημα μεταφοράς δεν πρέπει να λειτουργεί κοντά στο στατικό όριο ευστάθειας. Θα πρέπει να προβλέπεται ένα συγκεκριμένο περιθώριο στη μεταφορά ισχύος ούτως ώστε το σύστημα να είναι ικανό να χειριστεί διαταραχές, όπως μεταβολές στο φορτίο, σφάλματα στο δίκτυο (βραχυκυκλώματα) και χειρισμούς μεταγωγής (άνοιγμα - κλείσιμο διακοπτών). Όπως μπορεί να φανεί από το σχήμα 1.2, η τομή μεταξύ της γραμμής φορτίου, η οποία αντιπροσωπεύεται από τη μηχανική ισχύ στην αναχώρηση, και της καμπύλης μεταφερόμενης ισχύος καθορίζει την τιμή της γωνίας δ για τη μόνιμη κατάσταση. Μια μικρή αύξηση στη μηχανική ισχύ στο άκρο αναχώρησης αυξάνει τη γωνία δ. Για γωνίες με τιμές άνω των 90 o η παραμικρή αύξηση ισχύος επιταχύνει την γεννήτρια και καθιστά το 20

23 σύστημα ασταθές. Ωστόσο στο αριστερό σημείο τομής, αύξηση της γωνίας δ προκαλεί αύξηση της ηλεκτρικής ισχύος για να ισοσταθμίσει την αύξηση της μηχανικής ισχύος. Για τον προσδιορισμό του κατάλληλου περιθωρίου ως προς τη γωνία φορτίου δ, χρησιμοποιείται η βασική ιδέα της δυναμικής ευστάθειας ή της μεταβατικής ευστάθειας. Δυναμική ευστάθεια είναι η ικανότητα που έχει το ΣΗΕ να παραμένει συγχρονισμένο κάτω από μικρές διαταραχές, ενώ μεταβατική ευστάθεια είναι η ικανότητα που διαθέτει το ΣΗΕ να αναπτύσσει δυνάμεις αποκατάστασης του συγχρονισμού των στοιχείων του ίσες ή μεγαλύτερες των δυνάμεων διαταραχής (βραχυκυκλώματα, απώλεια γραμμών μεταφοράςή απώλειες στην παραγωγή), έτσι ώστε να αποκαθιστά την ισορροπία του (να παραμένει σε συγχρονισμό) μετά το πέρας της εκάστοτε διαταραχής.μια τυπική ισχύς μεταφοράς αντιστοιχεί σε γωνίες ισχύος κάτω των 30 ο (περίπου 25 ο ). Για να είμαστε σίγουροι για την μόνιμη ευσταθή κατάσταση του δρομέα, οι τιμές των γωνιών στα διάφορα σημεία του συστήματος μεταφοράς, συνήθως είναι κάτω των 45 ο. Μια πιο αναλυτική διερεύνηση των εξισώσεων (1.2) και (1.5) δείχνει ότι η μεταφερόμενη ενεργός ή πραγματική ισχύς εξαρτάται κυρίως από τη γωνία ισχύος δ. Μελετώντας τις εξισώσεις (1.3) και (1.6) παρατηρούμε ότι οι απαιτήσεις σε άεργο ισχύ στην αναχώρηση και άφιξη της γραμμής είναι υπερβολικές για μεγάλες γωνίες. Μπορούμε επίσης να συμπεράνουμε ότι η μεταφορά άεργου ισχύος εξαρτάται κυρίως από τα μέτρα των τάσεων, με φορά ροής από την υψηλότερη τάση προς τη χαμηλότερη τάση, ενώ η κατεύθυνση της ροής ενεργού ισχύος εξαρτάται από το πρόσημο της γωνίας ισχύος. Οι εξισώσεις (1.2), (1.3), (1.5) και (1.6) δείχνουν ότι η ροή ισχύος σε μια γραμμή μεταφοράς εξαρτάται από : Tην επαγωγική αντίδραση Χ της γραμμής μεταφοράς. Tα μέτρα των τάσεων άφιξης και αναχώρησης V R και V S. Tη φασική γωνία δ μεταξύ των δύο αυτών τάσεων. 21

24 1.3.3 Περιορισμοί της Μεταφερόμενης Ισχύος στη Μόνιμη Κατάσταση Λειτουργίας Στην πραγματικότητα, λόγω της ύπαρξης πραγματικών απωλειών στις γραμμές μεταφοράς η μέγιστη μεταφερόμενη πραγματική ισχύς περιορίζεται σε τιμές μικρότερες της PMAX και από άλλους παράγοντες πέραν της ευστάθειας του συστήματος. Οι παράγοντες αυτοί, τους οποίους πρέπει να λάβουμε σοβαρά υπόψη μας είναι : Το θερμικό όριο μεταφοράς ισχύος, που είναι η ονομαστική μεταφορική ικανότητα της γραμμής για συγκεκριμένη θερμοκρασία. Το ανεξέλεγκτο όριο ροής ισχύος, που είναι το όριο που προσδιορίζεται από το νόμο της φυσικής για μεταφορά ισχύος, χωρίς να εξασφαλίζεται η δυναμική ευστάθεια. Η διηλεκτρική αντοχή των αγωγών. Ο έλεγχος αυτών των παραμέτρων οδηγεί στον έλεγχο της ροής πραγματικής και αέργου ισχύος στο σύστημα και είναι το βασικό ζητούμενο για τις γνωστές μεθόδους αντιστάθμισης και για τα πιο σύγχρονα Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος (FACTS) Έλεγχος Ροής Ισχύος με FACTS Η βασική ιδέα σχετικά τους ελεγκτές FACTS, είναι η ικανότητα ελέγχου των παραπάνω παραμέτρων Χ, V R, V S και δ σε πραγματικό χρόνο. Η ικανότητα ταχέως ελέγχου της ισχύος, μέσα στα κατάλληλα καθορισμένα όρια, μπορεί να αυξήσει την μεταβατική και δυναμική ευστάθεια, καθώς επίσης και την ικανότητα απόσβεσης των διάφορων ταλαντώσεων που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα. Για παράδειγμα, μια αύξηση ή μείωση της επαγωγικής αντίδρασης Χ της γραμμής μεταφοράς, όπως προκύπτει από τις εξισώσεις (1.2) και (1.5) μειώνει ή αυξάνει αντίστοιχα τη μέγιστη μεταφερόμενη ισχύ P MAX. Για δεδομένη τιμή ροής ισχύος, μια αλλαγή της επαγωγικής αντίδρασης X αλλάζει 22

25 επίσης και τη γωνία δ μεταξύ των δύο άκρων. Ρυθμίζοντας τα μέτρα των τάσεων, αναχώρησης V S και άφιξης V R, μπορούμε να ρυθμίσουμε την μεταφερόμενη ισχύ της γραμμής μεταφοράς. Παρόλα αυτά, οι τιμές αυτές υποβάλλονται σε ένα στενό έλεγχο λόγω των απαιτήσεων φορτίου, μεταξύ 0,95p.u. και 1,05p.u. Αυτός ο λόγος δεν επιτρέπει στις τιμές των τάσεων να επηρεάσουν τη ροή ισχύος σε έναν ικανοποιητικό βαθμό. Ένα άλλο συμπέρασμα που προκύπτει από τις εξισώσεις (1.3) και (1.6) για την άεργο ισχύ, είναι ότι η ρύθμιση των μέτρων των τάσεων επηρεάζει περισσότερο την άεργο απ ότι την ενεργό ισχύ. Από τα παραπάνω φαίνεται καθαρά ότι τα ευέλικτα συστήματα μεταφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ροής ισχύος, αλλά επίσης έχουν μια θετική επίδραση στη μεταβατική και δυναμική ευστάθεια του συστήματος. Ακόμα, είναι δυνατόν να επιτευχθεί αύξηση της δυνατότητας απόσβεσης των ταλαντώσεων που προκαλούνται από κάποιο είδος σφάλματος. Είναι γεγονός ότι η βασική αιτία που προκαλεί αστάθεια τάσης σε ένα ΣΗΕ είναι η έλλειψη υποστήριξης άεργου ισχύος στο σύστημα. Για τις έννοιες τις αέργου ισχύος και της αστάθειας τάσης θα αναφερθούμε στα επόμενα δύο κεφάλαια. 1.4 Έλεγχος Αέργου Ισχύος και Αστάθεια Τάσης στα ΣΗΕ Η Σημασία του Ελέγχου Αέργου Ισχύος Το ενδιαφέρον για τον έλεγχο της ισχύος και κατ επέκταση και της τάσεως αυξάνεται συνεχώς στις μέρες μας για ορισμένους λόγους, που είναι οι εξής : Hαπαίτηση για αποδοτικότερη λειτουργία των ΣΗΕ αυξήθηκε με την άνοδο των τιμών των καυσίμων. Οι απώλειες των συστημάτων μειώνονται με την ελαχιστοποίηση της συνολικής ροής αέργου ισχύος. Αυτό επιτυγχάνεται ξεκινώντας με την απλή τοποθέτηση πυκνωτών για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος και φθάνοντας μέχρι 23

26 τις συστηματικές μεθόδους για το συνδυασμένο έλεγχο αέργου ισχύος σε διασυνδεδεμένα δίκτυα ΣΗΕ με τη βοήθεια υπολογιστών. Η επέκταση των δικτύων μεταφοράς εμποδίζεται από το υψηλό κόστος που δημιουργούν τα μεγάλα επιτόκια και σε ορισμένες περιπτώσεις από τη δυσκολία ανεύρεσης δρόμων διέλευσης. Έτσι η ηλεκτρική ενέργεια, που μεταφέρεται από τις υπάρχουσες γραμμές μεταφοράς, αυξάνεται και απαιτούνται μέτρα ελέγχου της αέργου ισχύος για να αποκατασταθεί το όριο μεταβατικής ευστάθειας. Γενικότερα, ο σημερινός τρόπος ανάπτυξης των ΣΗΕ δημιουργεί προβλήματα ευστάθειας και ελέγχου της τάσης, των οποίων η αντιμετώπιση απαιτεί σύγχρονες μεθόδους ελέγχου της ροής αέργου ισχύος. Οι συσκευές παροχής αέργου ισχύος ξεκινούν από τα κλασσικά συστήματα ελέγχου της τάσης γεννητριών, σύγχρονους αντισταθμιστές και σταθερού μεγέθους εγκάρσιους πυκνωτές και επαγωγές και φτάνουν μέχρι τους ελεγχόμενους σειριακούς πυκνωτές και τους σύγχρονους στατικούς αντισταθμιστές. Η απαίτηση για βελτιωμένης ποιότητας παροχή ηλεκτρικής ενέργειας αυξήθηκε με την αυξανόμενη χρήση ηλεκτρονικών συσκευών (ιδιαίτερα Η/Υ και τηλεοπτικών δεκτών) και την αύξηση των ειδικών βιομηχανικών φορτίων, που παρουσιάζουν γρήγορες μεταβολές στην απορροφούμενη πραγματική και άεργο ισχύ. Σε αυτά τα φορτία είναι ιδιαίτερα ανεπιθύμητες μεταβολές της τάσης και της συχνότητας. Ο έλεγχος αέργου ισχύος είναι ένα βασικό εργαλείο για την εξασφάλιση της ποιότητας τροφοδοσίας και ειδικότερα στην αποφυγή διαταραχών τάσης που είναι αρκετά συνηθισμένες. Γι αυτό είναι συχνά απαραίτητη η χρήση συσκευών σταθεροποίησης τάσης, με τη μορφή αντισταθμιστών αέργου ισχύος. Η ανάπτυξη και η διαρκώς αυξανόμενη χρησιμοποίηση της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με συνεχές ρεύμα δημιούργησε απαιτήσεις ελέγχου της αέργου ισχύος στους μετατροπείς με σκοπό την σταθεροποίηση της τάσης και την υποβοήθηση της διαδικασίας μεταγωγής. Ο έλεγχος της αέργου ισχύος συνδέεται με τις αρμονικές, που παράγονται από συγκεκριμένα φορτία, αλλά και τους ελεγχόμενους στατικούς αντισταθμιστές. Η 24

27 παρουσία τους, αν δεν ληφθεί υπόψη, οδηγεί σε καταστάσεις όπου η άεργος ισχύς μπορεί να είναι μηδέν, με οποιαδήποτε μέθοδο μέτρησης που χρησιμοποιεί την τάση και το ρεύμα με διαφορά φάσης 90 ο, αλλά ο συντελεστής ισχύος εξακολουθεί να είναι μικρότερος της μονάδας. Επίσης, η άεργος αντιστάθμιση σχεδόν πάντα επηρεάζει τη συχνότητα συντονισμού του συστήματος, τουλάχιστον τοπικά, γι αυτό πυκνωτές, επαγωγές και αντισταθμιστές πρέπει να χρησιμοποιούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγονται προβλήματα συντονισμού των αρμονικών Αστάθεια Τάσης στα Σύγχρονα ΣΗΕ Ορισμός της Αστάθειας Τάσης Η αστάθεια τάσης είναι ένα πρόβλημα που οφείλεται στην ανισορροπία αέργου ισχύος στους ζυγούς των φορτίων. Το πρόβλημα αυτό έλαβε μεγάλες διαστάσεις στα σύγχρονα ΣΗΕ και είναι αποτέλεσμα : Της διαφοροποίησης της φύσης των φορτίων. Της έλλειψης αυστηρής πολιτικής για πλήρως ελεγχόμενη τοπική αντιστάθμιση των φορτίων αέργου ισχύος, τόσο από τους καταναλωτές όσο και από τις ηλεκτρικές εταιρείες. Όπως θα εξηγηθεί στη συνέχεια, τα φορτία αέργου ισχύος ενδείκνυται να τροφοδοτούνται με παραγωγή αέργου ισχύος τοπικά. Η ραγδαία αύξηση των ηλεκτρικών φορτίων την τελευταία τριακονταπενταετία οδήγησε τις ηλεκτρικές εταιρείες σε ένα αγώνα δρόμου εγκατάστασης σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και μόνο μερικής ενίσχυσης του δικτύου μεταφοράς της, λόγω κόστους και περιβαλλοντικών αντιδράσεων. Συνήθως, τα δίκτυα μεταφοράς επαρκούν οριακά για τη μεταφορά της μέγιστης πραγματικής ισχύος και διαθέτουν πυκνωτές και επαγωγές αντιστάθμισης αέργου ισχύος με υποτυπώδη συστήματα ελέγχου. Ο υπερσύγχρονος έλεγχος πραγματικής ισχύος που διαθέτουν τα ΣΗΕ επιτρέπει 25

28 την ικανοποίηση των φορτίων σε πραγματική ισχύ αξιοποιώντας τις μέγιστες δυνατότητες παραγωγής ενέργειας. Όμως η έλλειψη αντίστοιχων δυνατοτήτων για την ικανοποίηση της αέργου ισχύος των φορτίων, οδηγεί σε αστάθεια τάσης, βαθμιαία ελάττωσή της και τελικά σε συσκότιση (black-out) όλο το ΣΗΕ, πριν αυτό εξαντλήσει τις δυνατότητες του σε πραγματική ισχύ. Αποτέλεσμα αυτού του φαινομένου ήταν η μεγάλη συσκότιση της 12 ης Ιουλίου 2004 του ελληνικού ΣΗΕ, ένα μήνα πριν από την πραγματοποίηση των Ολυμπιακών Αγώνων Επεξήγηση του Φαινομένου της Αστάθειας Τάσης Στη συνέχεια θα βασιστούμε στο απλό σύστημα δύο ζυγών του σχήματος 1.3 προκειμένουνα περιγράψουμε τα προβλήματα που δημιουργεί η διαχείριση αέργου ισχύος στην διατήρηση της τάσης του συστήματος. Σχήμα 1.3 : Απλό σύστημα δύο ζυγών με γεννήτρια και φορτίο Στο σχήμα 1.3 η ισχύς μεταφέρεται μέσω μίας γραμμής μικρού μήκους, χωρίς απώλειες (R=0) και γενικότερα από φυσική και μαθηματική σκοπιά το κύκλωμα είναι παρόμοιο με αυτό του απλού μοντέλου των δύο μηχανών που περιγράψαμε στο Κεφάλαιο 1.3.2, με τη μόνη διαφορά ότι στο άκρο άφιξης έχω φορτίο και όχι μηχανή. Επομένως και σε αυτή την περίπτωση θα ισχύουν οι σχέσεις (1.2), (1.3),(1.5) και (1.6) για τις ισχείς. 26

29 Επειδή σύμφωνα με τους κανονισμούς στη μεταφορά οι τάσεις δεν πρέπει να αποκλίνουν περισσότερο από ±5% της ονομαστικής τάσης (στις γραμμές 400 kv), στην ευνοϊκότερη περίπτωση για μεταφορά της μέγιστης αέργου ισχύος θα μπορούσαμε να δεχτούμε V S =1.05p.u, V R =0.95p.u και δ=25 ο (που καθορίζεται από το όριο μεταβατικής ευστάθειας), οπότε από τις εξισώσεις (1.2), (1.3),(1.5) και (1.6) για τις ισχύς βρίσκουμε ότι : Q R = / Χ p.u,q S = / X p.u και P S = P R = 0.42 / X p.u Από αυτά τα αποτελέσματα προκύπτει ότι μόνο το 0.85% της αποστελλόμενης αέργου ισχύος φθάνει στο άλλο άκρο της γραμμής, το 99.15% απορροφάται από τη γραμμή και η κατανάλωση αέργου ισχύος είναι 0.47 Κvar/KW. Βέβαια το απλό αυτό παράδειγμα είναι μία ακραία περίπτωση, όπου η γραμμή είναι ένας καθαρός καταναλωτής αέργου ισχύος,ενώ γενικά οι γραμμές είναι και παραγωγοί αέργου ισχύος. Μάλιστα σε συνθήκες υποφόρτισης (χαμηλού φορτίου) η παραγόμενη άεργος ισχύς υπερέχει σημαντικά της καταναλισκόμενης και για την απορρόφησή της συνδέονται εγκάρσιες επαγωγές. Όμως, σε συνθήκες μέγιστης φόρτισης, το δίκτυο είναι καταναλωτής αέργου ισχύος, που καταναλώνει καθώς αυξάνει η φόρτιση του από Kvar/KW (δηλαδή καταναλώνει περίπου Kvar ανά KW μεταφερόμενης πραγματικής ισχύος),ενώ οι απαιτήσεις των φορτίων είναι της τάξεως των 0.4 Kvar/KW. Άρα σε υψηλές φορτίσεις και με δεδομένο το μικρό ποσοστό της αέργου ισχύος που μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις, απαιτείται τοπική αντιστάθμιση των αέργων φορτίων. Πριν την εμφάνιση των προβλημάτων της αστάθειας τάσης, αυτή η αντιστάθμιση των αέργων φορτίων γινόταν απλά με τη σύνδεση/αποσύνδεση πυκνωτών με μηχανικούς διακόπτες και τοπικό έλεγχο. Η αστάθεια τάσης είναι ένα δυναμικό φαινόμενο, που περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση των μεταβολών των φορτίων και του εξοπλισμού που διαθέτει το ΣΗΕ για τον έλεγχο της τάσης. Μετά από μια σημαντική διαταραχή ή βαθμιαία αλλά γρήγορη αύξηση του φορτίου, λόγω έλλειψης αέργου ισχύος, προκαλείται βύθιση της τάσης στην περιοχή του φορτίου. Αυτό προκαλεί μερική απελευθέρωση πραγματικού φορτίου (λόγω εξάρτησης της πραγματικής ισχύος του φορτίου από την τάση) και προσωρινή ανακούφιση. Σε αυτές τις περιπτώσεις το ΣΗΕ είναι μεταβατικά ευσταθές λόγω της εξάρτησης του φορτίου από 27

30 την τάση. Εν τούτοις σε λιγότερο από ένα λεπτό τα συστήματα αυτόματης αλλαγής του λόγου σπειρών των μετασχηματιστών αρχίζουν να αποκαθιστούν την τάση στα φορτία και επομένως την ισχύ που απορροφούν. Αυτή η αποκατάσταση των φορτίων προκαλεί περαιτέρω βύθισμα της τάσης μεταφοράς καθώς είναι πολύ σημαντικό να προσέξουμε ότι ο μετασχηματιστής δεν είναι συσκευή που αποκαθιστά την τάση με μερική κάλυψη των απαιτήσεων σε άεργο ισχύ όπως οι αντισταθμιστές άεργου ισχύος. Οι κοντινές γεννήτριες υπερδιεγείρονται και υπερφορτίζονται, αλλά οι περιοριστές υπερδιέγερσης (ή οι χειριστές των μονάδων) επαναφέρουν το ρεύμα πεδίου στην ονομαστική του τιμή καθώς ο χρόνος υπερφόρτισης (1 ή 2 λεπτά) τελειώνει. Τότε οι μακρινές γεννήτριες υποχρεώνονται να παρέχουν την απαιτούμενη άεργο ισχύ, αλλά αυτό είναι αναποτελεσματικό και ανεπαρκές όπως είδαμε παραπάνω. Η παραγωγή και το σύστημα μεταφοράς δεν μπορούν να καλύψουν τα φορτία και τις άεργες απώλειες και οδηγούμαστε σε μία συνεχή και μάλιστα γρήγορη μείωση της τάσης, που καταλήγει σε μερική ή πλήρη κατάρρευσή της. Σχήμα 1.4 : Χαρακτηριστική του συστήματος και του φορτίου με κινητήρες 75% και ωμικά φορτία 25%. Στο σχήμα 1.4 το σημείο λειτουργίας του ζυγού του ΣΗΕ προσδιορίζεται από την τομή των χαρακτηριστικών του ζυγού και των χαρακτηριστικών του φορτίου στο ζυγό. Τα 28

31 χαρακτηριστικά του ζυγού του συστήματος είναι η γραφική παράσταση της τάσης στο ζυγό συναρτήσει της παρεχόμενης πραγματικής ισχύος, με παράμετρο τη μεταβολή του φορτίου και τα χαρακτηριστικά του φορτίου είναι η γραφική παράσταση της εξάρτησης της πραγματικής ισχύος του φορτίου από την τάση. Μετά την ενεργοποίηση των συστημάτων αυτόματης αλλαγής του λόγου σπειρών του μετασχηματιστή από r 0 σε r 1 ( με r 0 <r 1 ) και την ενεργοποίηση των περιοριστών ρεύματος πεδίου, έχουμε ένα οριακό σημείο λειτουργίας, που σημαίνει ότι βρισκόμαστε στα πρόθυρα αστάθειας της τάσης. Σημειώνουμε ότι τα χαρακτηριστικά του φορτίου στο σχήμα 1.4 αντιπροσωπεύουν φορτία που συναντάμε στα ανεπτυγμένα κράτη, όπου επικρατεί το φορτίο των κινητήρων. Όταν επικρατούν τα ωμικά φορτία, η κλίση των χαρακτηριστικών των φορτίων μειώνεται και τα χαρακτηριστικά γίνονται πιο οριζόντια, οπότε υπάρχει σημείο λειτουργίας και υπό τις δυσμενέστερες συνθήκες. Γι αυτό ακριβώς το λόγο η αστάθεια τάσης είναι επακόλουθο της διαφοροποίησης της φύσεως των φορτίων που πραγματοποιήθηκε ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, για να αντιμετωπίσουμε την αστάθεια τάσης, αφού δεν μπορούμε να επηρεάσουμε τα χαρακτηριστικά του φορτίου, πρέπει να διαφοροποιήσουμε τα χαρακτηριστικά του ΣΗΕ. Αυτό γίνεται με την ενίσχυση της μεταφορικής ικανότητας του ΣΗΕ σε κρίσιμες θέσεις και την εγκατάσταση σύγχρονων συσκευών αντιστάθμισης αέργου ισχύος που είναι και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής Χρονική Διάρκεια της Αστάθειας Τάσης Η χρονική διάρκεια της αστάθειας τάσης κυμαίνεται από κάποιο κλάσμα του δευτερολέπτου μέχρι μερικές δεκάδες λεπτά, ανάλογα με τις συσκευές και τα συστήματα ελέγχου που εμπλέκονται κατά την εξέλιξη του φαινομένου. Η αστάθεια τάσης μπορεί είναι ένα δυναμικό φαινόμενο αλλά τα χαρακτηριστικά του συστήματος και το είδος της διαταραχής προσδιορίζουν τα φαινόμενα που κάθε φορά είναι σημαντικά και άρα τη χρονική διάρκεια της εξέλιξης του φαινομένου. Ανάλογα με τη χρονική διάρκεια την αστάθεια τάσης την κατατάσσουμε σε τρείς κατηγορίες : 29

32 Μεταβατική αστάθεια τάσης : Η χρονική της διάρκεια είναι από μηδέν έως 10 δευτερόλεπτα, που είναι και η χρονική διάρκεια της μεταβατικής ευστάθειας του δρομέα των σύγχρονων μηχανών. Προκαλείται από φορτία γρήγορης αντίδρασης, όπως οι επαγωγικοί κινητήρες και οι μετατροπείς ΣΡ. Μέσου χρόνου αστάθεια τάσης : Η χρονική διάρκεια της είναι μερικά λεπτά, συνήθως 2 3 λεπτά. Συχνά δεν είναι δυνατή η επέμβαση των χειριστών. Περιλαμβάνει μεγάλα φορτία, μεγάλες μεταφορές ισχύος από απομακρυσμένες μονάδες παραγωγής και μία μεγάλη διαταραχή, π.χ. απώλεια μίας σημαντικής γραμμής μεταφοράς. Μεγάλου χρόνου αστάθεια τάσης : Η χρονική της διάρκεια μπορεί να είναι από μερικά λεπτά μέχρι μερικές δεκάδες λεπτά. Προκαλείται από τη γρήγορη δημιουργία πολύ μεγάλων φορτίων (όπως το πρωί ή το απόγευμα) ή τη γρήγορη ανάπτυξη πολύ μεγάλων ισχύων μεταφοράς. Για την αποφυγή της αστάθειας τάσης είναι απαραίτητη η επέμβαση χειριστών για την ενεργοποίηση των συσκευών άεργης αντιστάθμισης και των συσκευών απόρριψης φορτίων. 30

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΜΕ ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ AC ΡΕΥΜΑΤΟΣ (FACTS) 2.1 Οι Κλασσικές Μέθοδοι Αντιστάθμισης Οι πρώτες μορφές αντιστάθμισης σε μία γραμμής μεταφοράς που εφαρμόζονταν κυρίως τα προηγούμενα χρόνια βασίζονταν στον έλεγχο των παραμέτρων που αναφέρθηκαν στα Κεφάλαια και και επηρεάζουν τη ροή πραγματικής και αέργου ισχύος. Ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιούν για να επιτύχουν την επιθυμητή αντιστάθμιση διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες : α) τη σειριακή β) την εγκάρσια και γ) την αντιστάθμιση μέσω μετασχηματιστών ρύθμισης τάσης Σειριακή Αντιστάθμιση Για την εφαρμογή σειριακής αντιστάθμισης εισάγουμε στη γραμμή μεταφοράς μια χωρητική αντίδραση X C σε σειρά. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η αντίδραση X C να μειώνει την επαγωγική αντίδραση X L της γραμμής με συνέπεια να προκύπτει μικρότερη συνολική επαγωγή στη γραμμή Χ = X L - X C. Η χωρητική αντίδραση μπορεί να παράγεται μέσω πυκνωτών αλλά και μέσω ελεγχόμενων πηγών τάσης που συμβάλουν στον καλύτερο έλεγχο. Εύκολα παρατηρούμε ότι με τη βοήθεια της σειριακής 31

34 αντιστάθμισης πετυχαίνουμε αύξηση του στατικού ορίου ευστάθειας σύμφωνα με τον τύπο P MAX = V S V R / X. Επιπλέον, μελέτες έχουν δείξει ότι με τη σειριακή χωρητική αντιστάθμιση μπορεί να αυξηθεί, μέχρι και να υπερδιπλασιαστεί, η ικανότητα φόρτισης μίας γραμμής μεγάλου μήκους υπερυψηλής τάσης καταβάλλοντας μόνο ένα μέρος του κόστους που χρειαζόταν για την εγκατάσταση νέας γραμμής μεταφοράς. Παρ όλα αυτά, ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου αντιστάθμισης είναι ότι απαιτείται η εγκατάσταση αυτόματων συσκευών προστασίας που θα εκτρέψουν τα υψηλά ρεύματα κατά τη διάρκεια σφαλμάτων και θα επανεισαγάγουν τους πυκνωτές μετά την εκκαθάριση του σφάλματος. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι σειριακοί πυκνωτές δημιουργούν κυκλώματα συντονισμού τα οποία μπορεί να διεγείρουν ταλαντώσεις χαμηλής συχνότητας, ένα φαινόμενο που ονομάζεται υποσύγχρονος συντονισμός. Οι ταλαντώσεις αυτές μπορούν να προκαλέσουν μέχρι και καταστροφή των αξόνων των στροβίλων των γεννητριών Εγκάρσια Αντιστάθμιση Η εγκάρσια αντιστάθμιση ξεκίνησε αρχικά με τη χρήση εγκάρσιων πυκνωτών για τις περιόδους μεγάλου φορτίου και με εγκάρσιες επαγωγές για τις περιόδους χαμηλού φορτίου (αντίστοιχα έλλειψη και περίσσεια αέργου ισχύος). Οι εγκάρσιοι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ώστε να παρέχουν μέρος της αέργου ισχύος που ζητείται από το φορτίο και να μειωθεί συνεπώς η άεργος ισχύς που μεταφέρεται μέσω της γραμμής, κρατώντας την τάση στα επιθυμητά όρια. Οι εγκάρσιοι πυκνωτές συνδέονται είτε απευθείας στους ζυγούς την τάση των οποίων θέλουμε να ελέγξουμε ή στο τριτεύον τύλιγμα των μετασχηματιστών ισχύος. Ένα αξιοσημείωτο μειονέκτημα τους είναι ότι προκαλούν σημαντική ανύψωση της τάσης όταν η γραμμή είναι ελαφριά φορτισμένη ή λειτουργεί χωρίς φορτίο. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα η συστοιχία πυκνωτών που συνδέεται διαθέτει τόσο σταθερά όσο και μεταβλητά στοιχεία. Με την ανύψωση ή την πτώση της τάσης τα μεταβλητά στοιχεία αφαιρούνται ή προστίθενται στην συστοιχία για να μειώσουν ή να αυξήσουν αντίστοιχα τη συνολική χωρητικότητα. Αντιθέτως, στις περιόδους χαμηλού φορτίου λόγω της εγκάρσιας χωρητικότητας των γραμμών και 32

35 ιδιαίτερα των καλωδίων έχουμε περίσσεια αέργου ισχύος, οπότε είναι αναγκαίο να συνδέσουμε σε ορισμένα σημεία του δικτύου επαγωγές που καταναλώνουν άεργο ισχύ, ώστε να εμποδίσουμε την υπερβολική ανύψωση της τάσης σε αυτά. Στη σημερινή εποχή, με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και των σύγχρονων συστημάτων ελέγχου, οι εγκάρσιοι πυκνωτές και τα πηνία έχουν αντικατασταθεί σε πολλές περιπτώσεις από πλήρως αξιόπιστες συσκευές αντιστάθμισης όπως είναι οι στατικοί αντισταθμιστές αέργου ισχύος SVCs και οι σύγχρονοι αντισταθμιστές οι οποίοι αποτελούν το αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας Ρύθμιση Φασικής Γωνίας και Μέτρου της Τάσης Η διαδικασία αυτή επιτυγχανόταν αρχικά με τη μεσολάβηση μετασχηματιστών. Κύριο έργο αυτών των μετασχηματιστών είναι να μεταβάλουν, συνήθως κατά μικρά ποσά ΔV, την τάση σε ένα σημείο του ενεργειακού δικτύου. Η μεταβολή της τάσης ΔV που προκαλείται από αυτές τις συσκευές μπορεί γενικά να ελέγχεται και ως προς το μέτρο και ως προς τη φασική γωνία. Αυτή η μεταβολή, παρόλο που είναι συνήθως μικρή, προκαλεί δραστική επίδραση στην ισχύ που ρέει στη γραμμή μεταφοράς στην οποία παρεμβάλλεται ένας τέτοιος μετασχηματιστής. Επομένως οι μετασχηματιστές ρύθμισης τάσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της ροής ισχύος στο ενεργειακό δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα με τη ρύθμιση του μέτρου V της τάσης ελέγχεται η ροή αέργου ισχύος στη γραμμή μεταφοράς (Σχήμα 2.1), ενώ με τον έλεγχο της φασικής γωνίας της τάσης V ελέγχουμε τη ροή πραγματικής ισχύος στη γραμμή που τοποθετείται ο μετασχηματιστής. Σχήμα 2.1 : Ισοδύναμο μετασχηματιστή ρύθμισης του μέτρου της τάσης 33

36 2.1.4 Ανεπάρκεια Κλασσικών Μεθόδων Αντιστάθμισης Στην πραγματικότητα οι κλασσικές μέθοδοι αντιστάθμισης αέργου ισχύος καλύπτουν μόνο κάποια από τα προβλήματα που συναντάμε στα ενεργειακά δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος. Έτσι με τους τρόπους που προαναφέραμε βελτιώνουν την ικανότητα μεταφοράς ισχύος του συστήματος και σε κάποιο βαθμό την ικανότητα του να επανέρχεται γρήγορα σε ομάλη λειτουργία μετά από διάφορες μεταβατικές καταστάσεις όπως είναι τα βραχυκυκλώματα και η διαδικασία σύνδεσης ή αποσύνδεσης μεγάλων φορτίων από το δίκτυο. Παρόλα αυτά, οι απλοί συμβατικοί αντισταθμιστές αδυνατούν να ανταποκριθούν στην ανάγκη για γρήγορο και ακριβή έλεγχο καθώς συνδέονται και αποσυνδέονται από το δίκτυο μέσω μηχανικών διακοπτών. Επομένως, ενώ ο έλεγχος του συστήματος, η μεταφορά και επεξεργασία δεδομένων γίνεται ταχύτατα και σύμφωνα με τη σύγχρονη τεχνολογία η διαδικασία αντιστάθμισης καθυστερεί εμφανώς λόγω της αδράνειας και μηχανικής καταπόνησης των κινούμενων ηλεκτρομηχανικών τμημάτων. Αποτέλεσμα όλων αυτών των περιορισμών είναι η αδυναμία εφαρμογής ουσιαστικού ελέγχου σε περιπτώσεις μεταβατικών/δυναμικών καταστάσεων, όποτε δηλαδή η ύπαρξη του είναι άμεσα αναγκαία. Ένα άλλο βασικό μειονέκτημα των κλασσικών μεθόδων αντιστάθμισης είναι ότι η άεργος ισχύς ελέγχεται ασυνεχώς (κατά βήματα) και μόνο ως προς τη θετική κατεύθυνση. Αυτό συμβαίνει διότι εισάγωντας ή εξάγωντας πυκνωτές στο δίκτυο, εισάγουμε ή εξάγουμε στην ουσία σταθερές χωρητικές ποσότητες, με αποτέλεσμα την εμφάνιση «σκαλοπατιών» στην αντιστάθμιση. Προκειμένου λοιπόν να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα ελέγχου μέσω διακοπτικών στοιχείων έγινε απαραίτητη η διερεύνηση άλλων τεχνικών ελέγχου η οποία οδήγησε στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των Ευέλικτων Συστημάτων Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος ή με την αγγλική συντομογραφία,facts. 34

37 2.2 Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος ( FACTS) Ορίζουμε ως Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσομένου Ρεύματος τα συστήματα που ενσωματώνουν στη δομή τους ελεγκτές βασισμένους σε ηλεκτρονικά ισχύος αλλά και άλλους στατικούς ελεγκτές με στόχο τη βελτίωση της ικανότητας ασφαλούς μεταφοράς ισχύος, τη μείωση της διαφοράς μεταξύ θερμικού ορίου και ορίου ευστάθειας και τη βελτίωση της δυνατότητας ελέγχου Εισαγωγή των FACTS στα Σύγχρονα ΣΗΕ Η μεγάλη πρόκληση των σύγχρονων ΣΗΕ είναι η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας όπως επιτάσσεται από τους κανόνες για πιο ανταγωνιστική αγορά. Η βασική επιδίωξη αυτών των κανόνων είναι η δημιουργία ενός δικτύου ελεύθερης πρόσβασης για παραγωγούς, προμηθευτές, καταναλωτές και τους εκάστοτε φορείς της αγοράς. Ο ανταγωνισμός που αναφέραμε έχει ως αποτέλεσμα την πλήρη διαφοροποίηση των συνθηκών τόσο στην παραγωγή όσο και στην μεταφορά και τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα από τα πλεονεκτήματα της απελευθέρωσης είναι η προφανής μείωσης του κόστους παραγωγής, ενώ στα αρνητικά συγκαταλέγεται η διαμόρφωση μιας νέας γεωγραφικής κατανομής περιοχών όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια αλλά και η ανομοιογενής παραγωγή και ζήτηση της. Αυτή η ανομοιογένεια έχει επιδεινώσει αρκετά τα υπάρχοντα προβλήματα των ενεργειακών δικτύων. Τέτοια προβλήματα είναι η υπερφόρτιση των γραμμών μεταφοράς, η διαφοροποίηση του μέτρου της τάσης από τις ονομαστικές τιμές στους ζυγούς του ΣΗΕ αλλά και το όριο μεταβατικής ευστάθειας. Ως εκ τούτου, για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων δεν μπορούμε καθαρά από άποψη δαπανών και γεωγραφικών περιορισμών να καταφύγουμε στην λύση της εγκατάστασης και όδευσης νέων γραμμών μεταφοράς. Η πρόκληση επομένως της υπερπήδησης αυτών των εμποδίων οδήγησε στη σχεδίαση και χρήση της τεχνολογίας των κλασσικών μορφών αντιστάθμισης και εν συνεχεία των Ευέλικτων Συστημάτων Μεταφοράς Εναλλασσομένου Ρεύματος. 35

38 2.2.2 Οι Στόχοι των FACTS Η χρησιμοποίηση των FACTS στα σύγχρονα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, εκτός από την αντιμετώπιση των προβλημάτων λειτουργίας των μηχανικών διακοπτών, συμβάλει και στον περιορισμό των παρακάτω προβλημάτων που συναντάμε στα ενεργειακά δίκτυα : Διαταραχές που επηρεάζουν την ποιότητα της τροφοδοτούμενης ισχύος, όπως οι βυθίσεις τάσης, οι μεταβατικές και μόνιμες υπερτάσεις, οι διακυμάνσεις τάσης (flicker) και οι αρμονικές. Προβλήματα ευστάθειας σε μόνιμες ή μεταβατικές καταστάσεις. Επηρεασμός των βασικών χαρακτηριστικών του δικτύου από την ύπαρξη πολλών ηλεκτρικών εταιρειών παραγωγής. Απουσία μακροπρόθεσμου σχεδιασμού. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που αναφέρθηκαν οι ελεγκτές FACTS βασίζονται στην ικανότητα τους να μεταβάλλουν σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν τη ροή ισχύος του συστήματος μεταφοράς όπως η εν σειρά αντίδραση, η εγκάρσια χωρητικότητα, το μέτρο και η φασική γωνία της τάσης και οι ταλαντώσεις με συχνότητες μικρότερες της ονομαστικής (υποσύγχρονες ταλαντώσεις) με τελικό στόχο : Την πλήρη αξιοποίηση του συστήματος μεταφοράς με ασφαλή φόρτιση των γραμμών κοντά στο θερμικό τους όριο. Πλήρη έλεγχο της ροής πραγματικής και άεργης ισχύος. Αυξημένη ικανότητα μεταφοράς ισχύος μεταξύ των διασυνδεδεμένων περιοχών ελέγχου, με ταυτόχρονη μείωση της θερμής εφεδρείας από το 18% που είναι σήμερα στο 15%. 36

39 Περιορισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης και των σφαλμάτων συσκευών με αποτέλεσμα την πρόληψη αλυσιδωτών αποσυνδέσεων τμημάτων δικτύου και συσκευών. Απόσβεση ταλαντώσεων ισχύος που καταπονούν ή καταστρέφουν τον εξοπλισμό και περιορίζουν την επιτρεπόμενη μεταφορά ισχύος. 2.3 Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς (FACTS) Ελεγχόμενα από θυρίστορ Κάθε μία από τις τρεις κατηγορίες των ευέλικτων συστημάτων αυτού του τύπου επιδρά σε μία διαφορετική παράμετρο της γραμμής μεταφοράς (τάση, εν σειρά αντίδραση, γωνία). Έτσι λοιπόν ο SVC επιδρά στην τάση, ο TCSC στην εν σειρά αντίδραση ενώ ο TCPAR στη φασική γωνία. Σημειώνεται ότι τα συστήματα αυτά είναι παρόμοια με συστοιχίες πυκνωτών ή πηνίων με διακοπτική ζεύξη και μετασχηματιστές με μηχανική αλλαγή λήψεως γωνίας, αλλά έχουν πολύ ταχύτερη απόκριση και καλύτερο έλεγχο Σειριακή Αντιστάθμιση Πυκνωτής Σειράς Ελεγχόμενος με Θυρίστορ (TCSC) Ο TCSC (σχήμα 2.2) επιτυγχάνει μια συνεχή μεταβολή της εν σειρά επαγωγικής αντίδρασης της γραμμής, με αποτέλεσμα τη μείωση ή αύξηση της φόρτισης κυματικής αντίστασης (φυσικό φορτίο SIL). 37

40 Σχήμα 2.2 : Μονογραμμικό διάγραμμα TCSC Επομένως, ο TCSC μπορεί να τροφοδοτεί (κατά την υπερφόρτιση) ή να απορροφά (κατά την υποφόρτιση) άεργο ισχύ, να βοηθάει στην απόσβεση των ταλαντώσεων ισχύος, να ελέγχει τη μεταβατική ευστάθεια, να περιορίζει τους υποσύγχρονους συντονισμούς και εφ όσον εξασφαλιστούν οι δυνατότητες υπερφόρτισης του να διαχειρίζεται την υπερφόρτιση της γραμμής και να περιορίζει το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Στο σχήμα 2.3 απεικονίζεται ένας TCSC στο Oregon των ΗΠΑ. Σχήμα 2.3 : TCSC 500 kv στο Oregon των ΗΠΑ 38

41 2.3.2 Εγκάρσια Αντιστάθμιση Στατικός Αντισταθμιστής Αέργου Ισχύος (SVC) Ο SVC (σχήμα 2.4) διαθέτει αποκλειστικά διακόπτες στερεάς κατάστασης. Ελέγχοντας τις γωνίες έναυσης των θυρίστορ μπορούμε να καθορίσουμε το ποσό της αέργου ισχύος που εγχέει ο SVC στο δίκτυο παίρνοντας όλες τις ενδιάμεσες τιμές από πλήρως χωρητική σε πλήρως επαγωγική μέσα σε ένα κύκλο της θεμελιώδους συχνότητας. Στα πλεονεκτήματα του ότι είναι γρήγορος, παρέχει ικανοποιητικό έλεγχο και ταχύτατη σύνδεση ή αποσύνδεση των πυκνωτών χωρίς μεταβατικές υπερτάσεις για αποκατάσταση του συστήματος μετά την εκκαθάριση βραχυκυκλωμάτων. Επιπλέον, μπορεί να διατηρεί την τάση εντός των προδιαγραφών στη μόνιμη και μεταβατική κατάσταση λειτουργίας του ΣΗΕ και μπορεί να συμβάλει μερικώς στον έλεγχο της ευστάθειας. Σχήμα 2.4 : Μονογραμμικό διάγραμμα SVC Στα μειονεκτήματα του ότι δεν μπορεί να ελέγξει τη ροή πραγματικής ισχύος και η ποσότητα της αέργου ισχύος που παρέχει είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης με 39

42 αποτέλεσμα να είναι σχετικά μικρή σε περιπτώσεις βυθίσεων τάσης, τότε δηλαδή που το σύστημα την έχει περισσότερο ανάγκη. Η ύπαρξη κυρίως του δεύτερου μειονεκτήματος οδήγησε στη σχεδίαση του στατικού σύγχρονου αντισταθμιστή (STATCOM) ο οποίος παρέχει άεργο ισχύ ίση με το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα. Στο σχήμα 2.5 φαίνεται ένας SVC 420 kv, ±160 Mvar στο Όσλο της Νορβηγίας. Σχήμα 2.5 : Σταθμός SVC στο Όσλο της Νορβηγίας Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Ελεγχόμενος με Θυρίστορ Ρυθμιστής Φασικής Γωνίας (TCPAR) Ο τρόπος δράσης του TCPAR (σχήμα 2.6) στηρίζεται στη γρήγορη εισαγωγή μιας τάσης εν σειρά με την τάση στο ένα άκρο της γραμμής, ώστε να ελέγχουμε τη ροή ισχύος στη 40

43 γραμμή. Παρόλο που έχουν προταθεί κυκλώματα με ρύθμιση και του μέτρου και της φασικής γωνίας της εισαγόμενης τάσης, έχουν επικρατήσει τα κυκλώματα με ρύθμιση μόνο του μέτρου και φασική γωνία 90 ο λόγω της απλότητας τους. Επειδή το ΤCPAR δεν παράγει άεργο ισχύ, όλη η άεργος ισχύς που εισάγεται στη γραμμή ως αποτέλεσμα της φασικής στροφής της τάσης, απορροφάται από το ζυγό. Γι αυτό ακριβώς το λόγο ο ΤCPAR πρέπει να συνδέεται σε ισχυρούς ζυγούς για να αποφεύγονται οι διακυμάνσεις τις τάσεις. Σχήμα 2.6 : Μονογραμμικό διάγραμμα ενός TCPAR 2.4 Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς (FACTS) Ελεγχόμενα από Μετατροπείς Ισχύος Πρόκειται για ελεγχόμενες σύγχρονες πηγές εναλλασσόμενης τάσης ή ρεύματος (SVS/SCS-Synchronous Voltage/Current Sources). Έχουν πολύ ανώτερη λειτουργικότητα για κάθε είδος αντιστάθμισης και εκτός της άεργης αντιστάθμισης, επιπλέον έχουν τη δυνατότητα άμεσης ανταλλαγής ενεργού ισχύος με το δίκτυο, εξασφαλίζοντας πιο ευέλικτη διαχείριση ροής ισχύος και αντιμετώπιση δυναμικών διαταραχών. 41

44 Μια τέτοια πηγή είναι ανάλογη με μια ιδανική στρεφόμενη σύγχρονη μηχανή, η οποία παράγει ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα τάσεων στη θεμελιώδη συχνότητα, με ελεγχόμενο πλάτος και φάση. Αυτή η ιδανική μηχανή δεν έχει καθόλου αδράνεια, η απόκρισή της είναι πρακτικά στιγμιαία, δεν αλλάζει σημαντικά τη σύνθετη αντίσταση του δικτύου και μπορεί να παράγει άεργο ισχύ (χωρητική και επαγωγική). Επίσης μπορεί να ανταλλάσσει ενεργό ισχύ με το δίκτυο, εάν διασυνδεθεί με μια κατάλληλη πηγή ενέργειας η οποία θα μπορεί να παρέχει ή να απορροφά την ισχύ που το SVS παρέχει ή απορροφά από το δίκτυο. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν ο Στατικός Σύγχρονος Αντισταθμιστής (STATCOM), ο Στατικός Σύγχρονος Σειριακός Αντισταθμιστής (SSSC) και ο Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος (UPFC) Σειριακή Αντιστάθμιση Στατικός Σύγχρονος Σειριακός Αντισταθμιστής (SSSC) Ο SSSC (σχήμα 2.7) αποτελεί το πλέον σύγχρονο μοντέλο για τον συνεχή έλεγχο της ενεργού μιγαδικής αντίστασης της γραμμής. Αποτελείται από έναν αντιστροφέα πηγής τάσης συνδεδεμένο σε σειρά με τη γραμμή μεταφοράς μέσω μετασχηματιστή. Ως διακοπτικά στοιχεία χρησιμοποιεί GTO θυρίστορ για τον έλεγχο και της σβέσης εκτός από την έναυση. Στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος βρίσκεται μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, όπως υψηλής ενεργειακής πυκνότητας πυκνωτές, μπαταρίες, υπεραγώγιμα πηνία, σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη έδραση και ενεργειακά κύτταρα. Ένας SSSC με πυκνωτή παρέχει στην έξοδο του μια ελεγχόμενου μέτρου τάση, που παρουσιάζει μία γωνία σε σχέση με το ρεύμα γραμμής περίπου ± 90 ο. 42

45 Σχήμα 2.7 : Μονογραμμικό διάγραμμα ενός SSSC με πυκνωτή Επιπλέον έχει τη δυνατότητα να αυξάνει ή να μειώνει την πτώση τάσης κατά μήκος της γραμμής παρέχοντας ή απορροφώντας άεργο ισχύ και συμβάλλει σημαντικά στην απόσβεση ταλαντώσεων ισχύος Εγκάρσια Αντιστάθμιση Στατικός Σύγχρονος Αντισταθμιστής (STATCOM) Ο STATCOM (σχήμα 2.8) αποτελεί το πιο εξελιγμένο μοντέλο εγκάρσιας αντιστάθμισης. Έχει τη δυνατότητα να παράγει ή να καταναλώνει άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς στην έξοδο του δεν επηρεάζεται από μεταβολές στην τάση του συστήματος με αποτέλεσμα καλύτερο έλεγχο συγκεκριμένων παραμέτρων του συστήματος όπως η τάση ή η απόσβεση ταλαντώσεων, ενώ είναι ίση με το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα. Έτσι, όταν βυθίζεται η τάση του, εκμεταλλευόμενος την δυνατότητα υπερεύματος που έχει, μπορεί να τροφοδοτεί σημαντικό ποσό αέργου ισχύος. Επιπλέον, όταν διαθέτει σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, μπορεί να τροφοδοτεί το σύστημα με πραγματική ισχύ για μικρό χρονικό διάστημα. 43

46 Σχήμα 2.8 : Μονογραμμικό διάγραμμα STATCOM Ο συγκεκριμένος αντισταθμιστής επιτυγχάνει έλεγχο της τάσης σε μόνιμες, μεταβατικές και δυναμικές συνθήκες λειτουργίας, αντιμετωπίζει τις γρήγορες διακυμάνσεις της τάσης, συμβάλλει στην απόσβεση των ταλαντώσεων ισχύος και μπορεί να αποτρέψει τον υποσύγχρονο συντονισμό. Το μειονέκτημα του προς το παρόν είναι ότι η κατασκευή του απαιτεί τη χρήση ηλεκτρονικών διακοπτικών στοιχείων με δυνατότητες ελέγχου του χρόνου σβέσης, που επί του παρόντος δεν συνδυάζουν μεγάλη ισχύ χειρισμού ισχύος, μεγάλη συχνότητα αναβοσβησίματος (στην περιοχή των ΚΗz), μικρές απώλειες και λογικό κόστος. Σχήμα 2.9 : Τμήμα του STATCOM σε ηλεκτρικό σταθμό στην Κίνα 44

47 2.4.3 Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος (UPFC) Ο UPFC (σχήμα 2.10) αποτελείται από δύο μετατροπείς πηγής τάσης. Ο ένας μετατροπέας παράγει μία τάση μεταβλητού μέτρου και γωνίας που εισάγεται σε σειρά στη γραμμή, ενώ ο δεύτερος μετατροπέας παρέχει στον πυκνωτή του μοντέλου την ισχύ που απαιτείται για τη λειτουργία του πρώτου μετατροπέα. Με βάση τη δυνατότητα ρύθμισης τόσο του μέτρου όσο και της γωνίας της παρεχόμενης τάσης, ο UPFC μπορεί να ελέγχει και τις τρεις παραμέτρους σχετικά με τη ροή ισχύος σε μία γραμμή μεταφοράς, δηλαδή το μέτρο και τη γωνία της τάσης γραμμής, καθώς και την αντίδραση της. Σχήμα 2.10 : Μονογραμμικό διάγραμμα UPFC Γενικότερα, παρατηρούμε ότι οι αντισταθμιστές αυτής της κατηγορίας, συγκρινόμενοι με τους αντισταθμιστές ελεγχόμενους από θυρίστορ, παρέχουν ταχύτερο έλεγχο της τάσης (ο STATCOM και ο UPFC), της επαγωγικής αντίδρασης της γραμμής (ο SSSC και o UPFC) και της γωνίας ισχύος (ο UPFC). Επιπλέον, είναι ο μοναδικός τύπος ελεγκτών που έχει τη δυνατότητα απευθείας ανταλλαγής πραγματικής ισχύος με το δίκτυο, ανεξαρτήτως της αντιστάθμισης αέργου ισχύος. 45

48 Στον παρακάτω πίνακα (σχήμα 2.11) ανακεφαλαιώνουμε, με τα μονοφασικά διαγράμματα, τους βασικούς ελεγκτές FACTS που εξετάσαμε : Σχήμα 2.11 : Οι βασικότεροι ελεγκτές FACTS 46

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : Ο ΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧYΟΣ (SYNCHRONOUS CONDENSER) 3.1 Ορισμός του Σύγχρονου Αντισταθμιστή Οι σύγχρονες μηχανές έχουν διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας παράγεται σχεδόν αποκλειστικά από σύγχρονες γεννήτριες. Ωστόσο η ικανότητα της σύγχρονης μηχανής για έλεγχο της παραγωγής αέργου ισχύος την έκανε απολύτως κατάλληλη για εφαρμογές που αφορούν αντιστάθμιση αέργου ισχύος και έλεγχο της τάσης. Πριν από την εμφάνιση και την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος, οι σύγχρονες μηχανές αποτελούσαν την ιδανική λύση για τους δύο σκοπούς που αναφέρθηκαν. Ο Σύγχρονος Αντισταθμιστής δεν είναι τίποτα περισσότερο από μία συμβατική σύγχρονη μηχανή, η οποία περιστρέφεται χωρίς μηχανικό φορτίο και έχει διέγερση ρυθμιζόμενη σε μία ευρεία περιοχή τιμών. Με αυτόν τον τρόπο τροφοδοτεί με άεργο ισχύ το σύστημα όταν υπερδιεγείρεται και απορροφά άεργο ισχύ από το σύστημα όταν υποδιεγείρεται. Επομένως, ρυθμίζοντας τη διέγερση του σύγχρονου αντισταθμιστή μπορούμε να ρυθμίζουμε κατά συνεχή τρόπο την άεργο ισχύ στην έξοδο του, που μπορεί να πάρει χωρητικές ή επαγωγικές τιμές, με σκοπό την υποστήριξη της τάσης του συστήματος ή την διατήρηση του συντελεστή ισχύος του συστήματος σε συγκεκριμένο επίπεδο. 47

50 Μερικά από τα πλεονεκτήματα τους είναι ότι η άεργος ισχύς στην έξοδο τους αυξάνεται αμέσως μετά την πτώση τάσης, έχουν την ικανότητα υπερφόρτισης για δεκάδες δευτερόλεπτα ενώ με πλήρες φορτίο μπορούν να διατηρούν ονομαστικό ρεύμα. Στα μειονεκτήματα τους συγκαταλέγεται το υψηλό λειτουργικό κόστος αλλά και ο κόστος συντήρησης, όπως επίσης και η δυνατότητα αποσυγχρονισμού τους η οποία προκαλεί ξαφνικό και μεγάλο βύθισμα τάσης. Σχήμα 3.1 : Σύγχρονος Αντισταθμιστής στο Dorsey του Καναδά 3.2 Μαθηματικό Μοντέλο Σύγχρονης Μηχανής Όπως αναφέραμε προηγουμένως ο Σύγχρονος Αντισταθμιστής δεν είναι τίποτα άλλο από μία συμβατική τριφασική σύγχρονη μηχανή που λειτουργεί χωρίς μηχανικό φορτίο, επομένως για τη μελέτη της συμπεριφοράς του αρκεί η παρουσίαση του μαθηματικού μοντέλου της τριφασικής σύγχρονης μηχανής. 48

51 Από τις ηλεκτρικές μηχανές που περιστρέφονται με τη σύγχρονη ταχύτητα, οι μεγαλύτερες και ίσως οι πιο συνηθισμένες είναι οι τριφασικές σύγχρονες μηχανές. Αν και η κατασκευή τους είναι πολυπλοκότερη και πιο ακριβή από τις επαγωγικές μηχανές, η μεγαλύτερη απόδοση τους δίνει το πλεονέκτημα για μεγαλύτερες κλίμακες ισχύος. Ο στάτης της σύγχρονης μηχανής σχηματίζεται από τον πυρήνα που αποτελείται από ελάσματα σιδηρομαγνητικού υλικού, με αύλακες στην εσωτερική του επιφάνεια, όπου τοποθετούνται οι αγωγοί των τυλιγμάτων του. Ο μαγνητικός πυρήνας εγκαθίσταται μέσα σε ένα μεταλλικό πλαίσιο πάνω στο οποίο βρίσκεται το κιβώτιο της μηχανής καθώς και τα ρουλεμάν για την περιστροφή του δρομέα. Οι σπείρες των τυλιγμάτων στάτη διανέμονται εξίσου στα ζεύγη των πόλων και οι άξονες των τριών φάσεων ισαπέχουν κατά 120 ο. Το σχήμα του δρομέα σε κάθετη τομή μπορεί να είναι έκτυπων πόλων ή κυλινδρικό. Η κατασκευή με πολλούς έκτυπους πόλους χρησιμοποιείται περισσότερο σε εφαρμογές με χαμηλές ταχύτητες (υδροστρόβιλοι) και οι γεννήτριες περιστρέφονται προς τον κατακόρυφο άξονα. Οι έκτυποι ή αλλιώς προεξέχοντες πόλοι τοποθετούνται περιμετρικά στον άξονα του δρομέα. Η εναλλαγή του σιδηροπυρήνα των πόλων και του διακένου έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία των επιθυμητών μαγνητικών γραμμών της μαγνητικής ροής. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται μία κάθετη τομή ενός δρομέα με έκτυπους πόλους και ενός κυλινδρικού δρομέα για μία σύγχρονη μηχανή με τέσσερις πόλους. Σχήμα 3.2 : Σχεδίαση με έκτυπους πόλους και κυλινδρικό δρομέα. 49

52 Από την άλλη, η κατασκευή με κυλινδρικό δρομέα (δύο ή τέσσερις πόλοι συνήθως) είναι πιο δημοφιλής και εξυπηρετεί καλύτερα εφαρμογές με υψηλές ταχύτητες (ατμοστρόβιλοι), όπου οι γεννήτριες περιστρέφονται ως προς τον οριζόντιο άξονα. Οι μεγάλοι κυλινδρικοί δρομείς κατασκευάζονται από χυτό συμπαγές μολυβδοχρωμιούχο χάλυβα με ακτινωτές αύλακες μέσα στις οποίες τοποθετούνται τα τυλίγματα πεδίου στις δύο πλευρές για κάθε κύριο πόλο. Στα τυλίγματα πεδίου του δρομέα εφαρμόζεται ένα συνεχές ρεύμα διέγερσης μέσω ενός ζεύγους μονωμένων δακτυλίων ολίσθησης που βρίσκεται τοποθετημένο πάνω στον άξονα του, με σκοπό την δημιουργία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Εναλλακτικά, η συνεχής διέγερση επιτυγχάνεται από την ανορθωμένη έξοδο ενός μετατροπέα που τοποθετείται πάνω στον ίδιο άξονα του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Με τη δεύτερη μέθοδο απαλλασσόμαστε από τους δακτυλίους ολίσθησης και ονομάζεται διέγερση χωρίς ψήκτρες. Σε μία βασική απεικόνιση της σύγχρονης μηχανής, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3, το τύλιγμα πεδίου δημιουργεί στο δρομέα δύο μαγνητικούς πόλους. Ο άξονας των πόλων του δρομέα ονομάζεται ευθύς άξονας (d-άξονας), ενώ ο κάθετος σε αυτόν ονομάζεται εγκάρσιος άξονας (q-άξονας). Η θετική κατεύθυνση του d-άξονα λαμβάνεται να προηγείται της θετικής κατεύθυνσης του q-άξονα κατά 90 ο. Σχήμα 3.3 : Παράσταση Σύγχρονης Μηχανής κατά τους d,q άξονες 50

53 3.2.1 Επαγωγικές Παράμετροι Σύγχρονης Μηχανής Τα κατανεμημένα τυλίγματα στάτη και δρομέα μίας μηχανής είναι δυνατόν να αντικατασταθούν με ισοδύναμα συγκεντρωμένα τυλίγματα που θεωρούνται τοποθετημένα κατά μήκος των αξόνων τους και έχουν κατάλληλες ίδιες και αμοιβαίες επαγωγές, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. ο άξονας του τυλίγματος a, που επιλέγεται ως άξονας αναφοράς, βρίσκεται σε γωνία θ=0 ο. Προς την αριστερόστροφη κατεύθυνση και σε γωνίες θ=2π/3 και θ=4π/3 βρίσκονται οι άξονες των τυλιγμάτων b και c αντίστοιχα. Καθένα από τα τυλίγματα της μηχανής χαρακτηρίζεται από μία αντίσταση R i, μία αυτεπαγωγή L ii και τις αμοιβαίες επαγωγές με τα άλλα τυλίγματα L ij. Για τις αντιστάσεις των τυλιγμάτων του στάτη ισχύει : R a = R b = R c = R s (3.1) Για τις αυτεπαγωγές των τυλιγμάτων του στάτη ισχύουν οι σχέσεις : L aa = L s + L m cos2θ, L s > L m > 0 (3.2) L bb = L s + L m cos2(θ - 2π/3) (3.3) L cc = L s + L m cos2(θ + 2π/3) (3.4) Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα ισχύει L m = 0 οπότε : L aa = L bb = L cc = L s (3.5) Οι αμοιβαίες επαγωγές τυλιγμάτων του στάτη είναι όλες αρνητικές και περιγράφονται από τις σχέσεις : L ab = -M s L m cos2(θ + π/6 ), Μ s > L m >0 (3.6) L bc = -M s L m cos2(θ - π/2 ) (3.7) 51

54 L ac = -M s L m cos2(θ + 5π/6 ) (3.8) Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα ισχύει L m = 0 οπότε : L ab = L bc = L ca =-M s (3.9) Για την αυτεπαγωγή του τυλίγματος του δρομέα, η οποία είναι σταθερή, ισχύει η σχέση : L ff = L f (3.10) Οι αμοιβαίες επαγωγές των τυλιγμάτων του δρομέα με τα τυλίγματα του στάτη μεταβάλλονται μεταξύ θετικών και αρνητικών μεγίστων και εκφράζονται ως εξής : L af = M f cosθ (3.11) L bf = M f cos(θ 2π/3) (3.12) L cf = M f cos(θ + 2π/3) (3.13) Εξισώσεις Τάσης Σύγχρονης Μηχανής Οι τερματικές εξισώσεις των τεσσάρων τυλιγμάτων της μηχανής δίνονται από τις σχέσεις : v a = - R s i a dλ α /dt (3.14) v b = - R s i b dλ b /dt (3.15) v c = - R s i c dλ c /dt (3.16) v f = - R f i f dλ f /dt (3.17) όπου λ a = L aa i a + L ab i b + L ac i c + L af i f (3.18) 52

55 λ b = L ba i a + L bb i b + L bc i c + L bf i f (3.19) λ c = L ca i a + L cb i b + L cc i c + L cf i f (3.20) λ f = L fa i a + L fb i b + L fc i c + L ff i f (3.21) οι εξισώσεις πεπλεγμένων ροών για τα τέσσερα τυλίγματα της μηχανής Εξισώσεις Κίνησης Δρομέα Σύγχρονης Μηχανής Η κίνηση του δρομέα χαρακτηρίζεται από την ηλεκτρική γωνία θ r ανάμεσα στον ευθύ άξονα του δρομέα και τον άξονα της φάσης a του στάτη. Αν το πεδίο του δρομέα της μηχανής περιστρέφεται με ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα ω r (σε ηλεκτρικά rad/sec), τότε ο ρυθμός μεταβολής της γωνίας θ r είναι : (3.22) H γωνία δ του δρομέα της σύγχρονης μηχανής, ως η ηλεκτρική γωνία μεταξύ του εγκάρσιου μαγνητικού άξονα της μηχανής και του άξονα αναφοράς είναι: δ = θ r ω sys t + δ 0 (3.23) όπου δ 0 είναι η αρχική τιμή της γωνίας δ και ω sys είναι η γωνιακή ταχύτητα του άξονα αναφοράς σε ηλεκτρικά rad/sec. Παραγωγίζοντας και τα δύο μέλη της εξίσωσης 3.23 και λόγω της 3.22 προκύπτει η εξίσωση : (3.24) 53

56 Αμελώντας τις μηχανικές απώλειες στον άξονα της μηχανής, καθώς επίσης και τις απώλειες λόγω τριβών, η διαφορική εξίσωση επιτάχυνσης του δρομέα δίνεται από τη σχέση : όπου Η είναι η ανηγμένη στη βάση του συστήματος σταθερά αδράνειας σε sec, ω r είναι η γωνιακή ταχύτητα του πεδίου του δρομέα σε ηλεκτρικά rad/sec, ω b είναι η βασική ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα του συστήματος σε rad/sec, Τ m είναι η παραγόμενη από το στρόβιλο μηχανική ροπή σε ανά μονάδα τιμή ανηγμένη στη βάση του συστήματος, Τ e είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή της γεννήτριας σε ανά μονάδα τιμή ανηγμένη στη βάση του συστήματος και D είναι ο συντελεστής απόσβεσης σε ανά μονάδα τιμή στη βάση ισχύος του συστήματος Ισχύς Σύγχρονης Μηχανής Η πραγματική και η άεργος ισχύς που παρέχει και απορροφά μία σύγχρονη μηχανή ανά φάση δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις : P G = ( E V /X d ) sinδ m + V 2 /2(1/X q 1/X d ) sin2δ m (3.26) Q G = ( E V /X d ) cosδ m - V 2 (cos 2 δ m /X d + sin 2 δ m /X q ) (3.27) όπου δ m η γωνία ισχύος, που ορίζεται ως δ m = Ε a - V a, Χ d η σύγχρονη αντίδραση κατά τον d-άξονα και X q η σύγχρονη αντίδραση κατά τον q-άξονα. Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα ισχύει X d = X q και επομένως : P G = ( E V /X d ) sinδ m (3.28) Q G = V ( E cosδ m - V )/X d (3.29) 54

57 Θετική τιμή του P G δηλώνει λειτουργία γεννήτριας και λαμβάνεται για θετικό δ m, ενώ αρνητική τιμή του P G αντιστοιχεί σε λειτουργία κινητήρα και λαμβάνεται για αρνητικό δ m. Σε μηχανή με έκτυπους πόλους η μέγιστη πραγματική ισχύς Ρ ΜΑΧ παρέχεται σε μία γωνία δ m = δ c < 90 ο, ενώ σε μηχανή με κυλινδρικό δρομέα η Ρ ΜΑΧ εμφανίζεται για γωνία δ m = 90 ο. Προσπάθεια αύξησης της παρεχόμενης ισχύος πέραν της Ρ ΜΑΧ οδηγεί σε αποσυγχρονισμό της γεννήτριας από το δίκτυο. Για να αποφύγουμε αυτό το πρόβλημα λειτουργούμε τη μηχανή σε μικρές γωνίες ισχύος (περίπου 20 ο ). Από τη σχέση (3.29) παρατηρούμε ότι η τιμή της αέργου ισχύος Q G εξαρτάται από την τιμή της ποσότητας E cosδ m - V. Όταν αυτή είναι θετική τότε Q G > 0, οπότε η μηχανή παράγει άεργο ισχύ, δρα, δηλαδή, αν ιδωθεί από την μεριά του δικτύου, σαν εγκάρσιος πυκνωτής. Για να είναι θετική η ποσότητα E cosδ m - V απαραίτητη προϋπόθεση είναι το E να είναι μεγάλο, δηλαδή η διέγερση να είναι ισχυρή. Όταν αναφερόμαστε σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας λέμε ότι η μηχανή είναι σε υπερδιέγερση. Αντιθέτως, η υποδιέγερση ορίζεται όταν η ποσότητα E cosδ m - V είναι αρνητική, οπότε ισχύει Q G < 0, η γεννήτρια καταναλώνει άεργο ισχύ και δρα, αν ιδωθεί από την μεριά του δικτύου, ως εγκάρσιο πηνίο. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα μίας υπερδιεγειρόμενης σύγχρονης μηχανής να παράγει άεργο ισχύ το εκμεταλλευόμαστε στον σύγχρονο αντισταθμιστή που μελετάμε στην παρούσα διπλωματική. Επειδή ο σύγχρονος αντισταθμιστής δεν φέρει πραγματικό φορτίο ισχύει δ m = 0 o, επομένως μοιάζει με γεννήτρια χωρίς στρόβιλο. Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας η παρεχόμενη άεργος ισχύς όπως προκύπτει από τη σχέση (3.29) είναι : Q G = V ( E - V )/X d (3.30) Όσον αφορά τον έλεγχο της σύγχρονης γεννήτριας η συμπεριφορά της καθορίζεται μέσω δύο δυνάμεων ελέγχου : To ρεύμα πεδίου i fi. Τη μηχανική ροπή στον άξονα της γεννήτριας τ mi. Όταν μία από τις δύο ή και οι δύο αυτές ποσότητες μεταβληθούν, τότε γενικά θα μεταβληθούν οι ποσότητες Ρ Gi, Q Gi, V i και f ή αλλιώς έξοδοι της γεννήτριας. 55

58 Μεταβάλλοντας τη μηχανική ροπή στον άξονα τ mi, διατηρώντας το ρεύμα διέγερσης i fi σταθερό, επηρεάζουμε κυρίως την πραγματική ισχύ Ρ Gi. Επηρεάζεται και άεργος ισχύς Q Gi, αλλά αυτή η επίδραση είναι σχετικά μικρή. Από την άλλη, αν μεταβάλλουμε το ρεύμα διέγερσης i fi, διατηρώντας τη μηχανική ροπή του άξονα τ mi σταθερή, θα μεταβληθεί ανάλογα και η Ε και συνεπώς και η άεργος ισχύς Q Gi, ενώ η πραγματική ισχύς Ρ Gi παραμένει σταθερή Ο Μετασχηματισμός Park Στην περίπτωση που η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα της σύγχρονης μηχανής είναι σταθερή μπορούμε να επιλύσουμε αναλυτικά τις εξισώσεις τάσεων, ρευμάτων και πεπλεγμένων ροών που αναφέρθηκαν παραπάνω αν και πρόκειται να έρθουμε αντιμέτωποι με μεγάλο υπολογιστικό φόρτο. Χρησιμοποιώντας όμως μία ειδική τεχνική που ονομάζεται μετασχηματισμός Park είναι δυνατόν να απλοποιήσουμε σημαντικά αυτές τις εξισώσεις και σε ορισμένες περιπτώσεις να τις καταστήσουμε γραμμικές με σταθερούς συντελεστές. Σύμφωνα με τον μετασχηματισμό Park οι a-b-c ποσότητες του στάτη (ρεύματα, τάσεις και ροές) μετασχηματίζονται σε ένα νέο σύνολο αντίστοιχων ποσοτήτων που ονομάζονται συνιστώσες. Αυτές είναι οι συνιστώσες ευθέος άξονα, εγκάρσιου άξονα, όπως φαίνονται στο σχήμα 3.3, και μηδενικής ακολουθίας και συμβολίζονται με τους δείκτες d, q και 0 αντίστοιχα. Ο μετασχηματισμός Park πραγματοποιείται με τη χρήση της μήτρας Park : η οποία πολλαπλασιαζόμενη με τις εξισώσεις της μηχανής μας μεταφέρει στο απλούστερο d-q-0 σύστημα από το a-b-c σύστημα. Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να μετατρέψουμε τις 56

59 εξισώσεις των ρευμάτων στο d-q-0 σύστημα χρησιμοποιούμε την παραπάνω μήτρα ως εξής : όπου η μήτρα Τ είναι αντιστρέψιμη και ορθογώνια,επομένως ισχύει και η αντίστροφη μετατροπή μέσω του μετασχηματισμού όπως φαίνεται παρακάτω:. Στην ειδική περίπτωση που η ταχύτητα του δρομέα είναι σταθερή και εφόσον εργαζόμαστε στο d-q-0 σύστημα, οι εξισώσεις γίνονται φανερά πιο απλές, γραμμικές με σταθερούς συντελεστές και μπορούν να επιλυθούν με την τεχνική του μετασχηματισμού Laplace. 3.3 Μοντέλα Συστήματος Διέγερσης Η βασική λειτουργία ενός συστήματος διέγερσης είναι να εξασφαλίζει την παροχή συνεχούς ρεύματος στο τύλιγμα πεδίου της σύγχρονης μηχανής. Επιπλέον, το σύστημα διέγερσης πραγματοποιεί ενέργειες ελέγχου και προστασίας, ελέγχοντας την τάση και το ρεύμα πεδίου, οι οποίες είναι απαραίτητες για την ικανοποιητική λειτουργία της μηχανής και εμμέσως του ενεργειακού συστήματος. Όταν η συμπεριφορά των σύγχρονων μηχανών πρόκειται να προσομοιωθεί με ακρίβεια σε ενεργειακές μελέτες, είναι σημαντικό να μοντελοποιηθεί το σύστημα διέγερσης με έμφαση στη λεπτομέρεια. Τα επιθυμητά μοντέλα διέγερσης θα πρέπει να είναι κατάλληλα ώστε να 57

60 αναπαραστήσουν πιστά τον εξοπλισμό που θα χρησιμοποιηθεί στην πραγματικότητα τόσο για μεγάλες και σοβαρές όσο και για ασήμαντες διαταραχές του δικτύου. Υπάρχουν δύο είδη σύγχρονων μηχανών όσον αφορά το μαγνητικό πεδίο : του στατικού μαγνητικού πεδίου. του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Η σύγχρονη μηχανή στατικού μαγνητικού πεδίου έχει τοποθετημένους τους έκτυπους πόλους στο στάτη. Οι πόλοι μαγνητίζονται είτε από τους μόνιμους μαγνήτες είτε από ένα συνεχές ρεύμα. Το τριφασικό τύλιγμα τυμπάνου, τοποθετείται στον άξονα. Το τύλιγμα τυμπάνου τροφοδοτείτε μέσω τριών δακτυλίων (συλλέκτες) και ενός συνόλου ψηκτρών. Αυτή η διάταξη μπορεί να βρεθεί σε μηχανές μέχρι και 5 kva. Για μεγαλύτερης ισχύος μηχανές έχουμε τον τύπο του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Η σύγχρονη μηχανή περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου έχει το τύλιγμα διέγερσης στο περιστρεφόμενο μέλος δηλαδή στο δρομέα, και το τύλιγμα τυμπάνου στο στάσιμο μέλος του στάτη. Ένα συνεχές ρεύμα, που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που πρέπει να περιστραφεί με τη σύγχρονη ταχύτητα, τροφοδοτεί το τύλιγμα διέγερσης. Το τύλιγμα διέγερσης μπορεί να τροφοδοτηθεί μέσω ενός συνόλου δακτυλίων ολίσθησης και ψηκτρών (εξωτερική διέγερση), ή από μια γέφυρα με διόδους που τοποθετείται στο δρομέα. Η γέφυρα τροφοδοτείται από έναν εναλλάκτη, πού είναι τοποθετημένος πάνω στον άξονα, ο οποίος διεγείρεται από την προ διεγέρτρια μηχανή. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως επειδή ο δρομέας περιστρέφεται υπήρχε ανάγκη να αναπτυχθεί κάποιος ειδικός τρόπος τροφοδοσίας του τυλίγματος του. Οι συνηθισμένες τεχνικές τροφοδοσίας του δρομέα είναι : Με τροφοδοσία από εξωτερική πηγή ρεύματος οπότε ο δρομέας θα πρέπει να είναι εφοδιασμένος με ψήκτρες και δαχτυλίδια. Με τροφοδοσία από ειδική πηγή συνεχούς ρεύματος τοποθετημένη πάνω στον άξονα της γεννήτριας. 58

61 Η χρήση όμως δακτυλίων και ψηκτρών για την τροφοδοσία του δρομέα της γεννήτριας με συνεχές ρεύμα παρουσιάζει μειονεκτήματα όπως η συνεχής αντικατάσταση των ψηκτρών πού φθείρονται λόγω τριβής και η πτώση τάσης στις ψήκτρες που μπορεί να προκαλέσει σημαντικές απώλειες ισχύος. Στις μεγαλύτερες χρησιμοποιούνται διεγέρτριες μηχανές χωρίς ψήκτρες για τροφοδοσία του δρομέα της γεννήτριας. Αυτές οι διεγέρτριες μηχανές είναι μικρές γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος των οποίων το κύκλωμα οπλισμού τους τοποθετείται στον άξονα του δρομέα. Η τριφασική έξοδος της διεγέρτριας ανορθώνεται από ένα τριφασικό ανορθωτή, που βρίσκεται πάνω στον άξονα της μηχανής και το συνεχές ρεύμα εξόδου του ανορθωτή οδηγείται στο τύλιγμα διέγερσης της μηχανής. Μ αυτό τον τρόπο μπορούμε να ρυθμίσουμε το ρεύμα διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας μεταβάλλοντας απλά το συνεχές ρεύμα διέγερσης της διεγέρτριας, που βρίσκεται πάνω στο στάτη, και έχει πολύ μικρή τιμή. Ακόμα ένας τρόπος για τροφοδοσία του στάτη που κάνει τη μέθοδο εντελώς ανεξάρτητη από εξωτερικές πηγές είναι με την εισαγωγή στο σύστημα μιας προ-διεγέρτριας μηχανής. Αυτή είναι μια μικρή γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος με δρομέα που διαθέτει μόνιμους μαγνήτες και τοποθετείται στον άξονα της σύγχρονης γεννήτριας. Η προδιεγέρτρια παράγει τριφασική τάση που ανορθώνεται και τροφοδοτεί τη διέγερση της διεγέρτριας, η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί το δρομέα της σύγχρονης γεννήτριας. Για την μοντελοποίηση ενός συστήματος διέγερσης χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο το ανά μονάδα σύστημα (p.u). Στην συνέχεια θα παρουσιάσουμε τέσσερις τύπους βασικών συστημάτων διέγερσης οι οποίοι είναι : Σύστημα διέγερσης τύπου DC, το οποίο χρησιμοποιεί ως πηγή μία γεννήτρια συνεχούς ρεύματος με συλλέκτη. Σύστημα διέγερσης τύπου ΑC, το οποίο χρησιμοποιεί έναν εναλλάκτη (μετατροπέα) και είτε σταθερούς είτε περιστρεφόμενους ανορθωτές για την παραγωγή του συνεχούς ρεύματος που τροφοδοτείται στη σύγχρονη μηχανή. 59

62 Σύστημα διέγερσης τύπου ST, στο οποίο η διεγέρτρια ισχύς τροφοδοτείται μέσω μετασχηματιστών ή βοηθητικών τυλιγμάτων και ανορθωτών. Σύστημα διέγερσης στερεάς κατάστασης τύπου SCRX το οποίο βασίζεται σε πρότυπο της ΙΕΕΕ και είναι αυτό που θα χρησιμοποιηθεί στον σύγχρονο αντισταθμιστή που θα μελετήσουμε Σύστημα Διέγερσης Τύπου DC Οι διεγέρτριες τύπου DC χρησιμοποιούν γεννήτριες συνεχούς ρεύματος σαν πηγή της διεγέρτριας ισχύος και τροφοδοτούν με συνεχές ρεύμα το δρομέα της σύγχρονης μηχανής μέσω δακτυλίων ολίσθησης. Η διεγέρτρια μπορεί να στρέφεται από έναν κινητήρα ή από τον άξονα της γεννήτριας, ενώ μπορεί να είναι αυτοδιεγειρόμενη ή με εξωτερική διέγερση. Όταν η διέγερση είναι εξωτερική χρησιμοποιείται η προ-διεγέρτρια με μόνιμο μαγνήτη που αναφέραμε προηγουμένως. Τα συστήματα διέγερσης τύπου DC χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σε ενεργειακά δίκτυα από το 1920 μέχρι το Στις μέρες μας πολύ λίγες καινούργιες σύγχρονες μηχανές είναι εξοπλισμένες με τύπου DC διεγέρτριες καθώς αυτές έχουν αντικατασταθεί από τύπου AC και ST. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μοντέλο ενός συστήματος διέγερσης τύπου DC- DC2A : Σχήμα 3.4 : Μοντέλο συστήματος διέγερσης τύπου DC-DC2A 60

63 3.3.2 Σύστημα Διέγερσης Τύπου ΑC Το σύστημα διέγερσης αυτού του τύπου περιλαμβάνει έναν AC εναλλάκτη και είτε σταθερούς είτε περιστρεφόμενους ανορθωτές για την παραγωγή του απαιτούμενου DC ρεύματος. Όταν χρησιμοποιούνται σταθεροί ανορθωτές η DC έξοδος τροφοδοτείται στο τύλιγμα πεδίου της κύριας γεννήτριας μέσω δακτυλίων ολίσθησης, ενώ με περιστρεφόμενους ανορθωτές η ανάγκη για δακτυλίους και ψήκτρες εξαλείφεται και η DC έξοδος τροφοδοτείται απευθείας στο τύλιγμα πεδίου της γεννήτριας. Οι επιδράσεις της φόρτισης αυτών των διεγερτριών είναι σημαντικές και γι αυτό το λόγο η χρήση του ρεύματος πεδίου της γεννήτριας ως είσοδο στο μοντέλο επιτρέπει την πιστή αναπαράσταση αυτών των επιδράσεων. Επιπλέον, σε αυτά τα συστήματα δεν επιτρέπεται η παροχή αρνητικού ρεύματος πεδίου. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μοντέλο ενός συστήματος διέγερσης τύπου ΑC-ΑC1A : : Σχήμα 3.5 : Μοντέλο συστήματος διέγερσης τύπου AC-AC1A Σύστημα Διέγερσης Τύπου ST Σε αυτά τα συστήματα οι συσκευές που περιλαμβάνονται είναι κατά κύριο λόγο στατικές. Στατικοί ανορθωτές παρέχουν το ρεύμα διέγερσης απευθείας στο τύλιγμα διέγερσης της σύγχρονης μηχανής μέσω δακτυλίων ολίσθησης. Η παροχή ισχύος στους ανορθωτές 61

64 γίνεται είτε από την κύρια γεννήτρια μέσω ενός μετασχηματιστή ο οποίος χαμηλώνει το επίπεδο τάσης είτε, σε μερικές περιπτώσεις, από ένα βοηθητικό τύλιγμα της γεννήτριας. Ενώ αρκετά από αυτά τα συστήματα επιτρέπουν αρνητικές τάσεις πεδίου, τα περισσότερα δεν παρέχουν αρνητικό ρεύμα πεδίου. Για εξειδικευμένες μελέτες όπου αρνητικά ρεύματα πεδίου είναι απαραίτητα απαιτείται η σχεδίαση ενός πιο λεπτομερούς μοντέλου. Επιπλέον, σε πάρα πολλά ST συστήματα το ανώτατο όριο τάσης διέγερσης είναι πάρα πολύ υψηλό. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος ενδείκνυται η χρησιμοποίηση επιπλέον περιοριστών του ρεύματος πεδίου για την προστασία της διεγέρτριας και του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μοντέλο ενός συστήματος διέγερσης τύπου ST-ST5B : Σχήμα 3.6 : Μοντέλο συστήματος διέγερσης τύπου ST- ST5B Σύστημα Διέγερσης Τύπου Στερεάς Κατάστασης Σε πολλές περιπτώσεις, στα DC συστήματα διέγερσης παρουσιάζονται προβλήματα εξαιτίας σφαλμάτων στους μετατροπείς ρεύματος ή λόγω ρίπων και αναθυμιάσεων από διάφορα υλικά (λάδια, μπογιές κ.τ.λ.) που βρίσκονται σε σταθμούς παραγωγής. Αυτά τα προβλήματα προκαλούν συνήθως άσχημες φθορές και απρόβλεπτους σπινθηρισμούς. Στις μέρες μας όμως με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος και των συστημάτων ελέγχου, καθώς και με τις αμέτρητες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στο αντικείμενο των ηλεκτρικών μηχανών τα συστήματα διέγερσης έχουν βελτιωθεί εκθετικά σε σχέση με 62

65 το παρελθόν με αποτέλεσμα να κάνουν την εμφάνιση τους σύγχρονα συστήματα διέγερσης στερεάς κατάστασης, όπως ο τύπος διεγέρτριας SCRX που θα χρησιμοποιήσουμε στην παρούσα διπλωματική. Η ιδιαιτερότητα αυτών των διεγερτριών είναι ότι αποκρίνονται σχεδόν ακαριαία, σε σχέση με τύπου DC ή AC διεγέρτριες, εξασφαλίζοντας δυναμική σταθερότητα στο σύστημα ακόμα και σε περιπτώσεις σφαλμάτων και απότομων αλλαγών φορτίου. Ο λόγος αυτός κατέστησε τις solid-state διεγέρτριες αρκετά δημοφιλείς στις ενεργειακές μελέτες με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μοντέλο ενός συστήματος διέγερσης τύπου στερεάς κατάστασης (solid state) SCRX19 : Σχήμα 3.7 : Μοντέλο συστήματος διέγερσης τύπου Solid-State SCRX Μοντελοποίηση του Σύγχρονου Αντισταθμιστή στο Πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε την διαδικασία και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ενός Σύγχρονου Αντισταθμιστή στο πρόγραμμα PSCAD/EMTDC, το οποίο αποτελεί ένα από τα πλέον κατάλληλα, αξιόπιστα και λειτουργικά προγράμματα για ενεργειακές μελέτες. Επιπλέον, στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα παρουσιαστεί η σχεδίαση του ενεργειακού δικτύου στο οποίο θα συνδεθεί ο σύγχρονος αντισταθμιστής και πάνω 63

66 στο οποίο θα μελετήσουμε επίσης τη συμπεριφορά του στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) στο κεφάλαιο Σχεδίαση του Ενεργειακού Συστήματος Το εγκατεστημένο σύστημα που χρησιμοποιείται για την μελέτη και σύγκριση της συμπεριφοράς των δύο αντισταθμιστών σε διαφόρους τύπους διαταραχών δίνεται με μονογραμμικό διάγραμμα στο σχήμα 3.8 : Σχήμα 3.8 : Μονογραμμικό διάγραμμα συστήματος Η εγκατάσταση παρουσιάζει ένα εργοστάσιο όπου το κύριο φορτίο αποτελείται από δύο σειρές των 50 επαγωγικών μηχανών ισχύος 500 ίππων, με σταθερά αδράνειας 2 sec και συντελεστή ισχύος cosφ=0.9. Η κάθε σειρά μηχανών συνδέεται σε ζυγό τάσεως 10 kv. Αυτές οι μονάδες με τη σειρά τους συνδέονται σε ένα μεγαλύτερο ζυγό τάσεως 36 kv μέσω μετασχηματιστή 36/10 kv, ισχύος 25 MVA και επαγωγικής αντίδρασης σκέδασης 10%. Στο ζυγό των 36 kv συνδέονται επίσης ένα ωμικό και ένα επαγωγικό φορτίο ισχύος 16 MW και 12 MVAR αντίστοιχα μέσω μετασχηματιστή 36/10 kv, ισχύος 25 MVA και επαγωγικής αντίδρασης σκέδασης 10%. 64

67 Επιπλέον, μία τράπεζα πυκνωτών ισχύος 8 MVAR συνδέεται σε κάθε ζυγό φορτίου των 10 kv με σκοπό τη διατήρηση της τάσης στο % της ονομαστικής της τιμής κατά τη λειτουργία με πλήρες φορτίο. Ο λόγος βραχυκυκλώματος (Short Circuit Ratio - SCR), που στην ουσία αντιπροσωπεύει το λόγο μεταξύ της ισχύος κατά το βραχυκύκλωμα-σφάλμα στο ζυγό των 36 kv και της συνολικής φαινόμενης ισχύος του φορτίου, έχει τιμή 3.9 το οποίο δηλώνει ένα σχετικά ισχυρό σύστημα. Η ισχύς μεταφέρεται στο εργοστάσιο από μία γεννήτρια υπό τάση 130 kv μέσω δικτύου μεταφοράς, που αποτελείται από δύο γραμμές των 200 km με λόγο X/R=15. Για την μελέτη της συμπεριφοράς των συσκευών αντιστάθμισης γίνεται εφαρμογή διαφόρων τύπων διαταραχών σε μία από τις δύο γραμμές του δικτύου. Στον υποσταθμό των 36 kv υπάρχει ακόμα ένας μετασχηματιστής υποβιβασμού τάσης των 70 MVA (10%, 130/36 kv) που προσαρμόζει το επίπεδο τάσης στο εργοστάσιο. Σχήμα 3.9 : Σχεδίαση ενεργειακού δικτύου στο πρόγραμμα PSCAD 65

68 Στο παραπάνω σχήμα 3.9 απεικονίζονται όλες οι συνιστώσες του πλήρους συστήματος, δηλαδή το δίκτυο μεταφοράς, η εγκατάσταση του εργοστασίου και τα φορτία, με τη χρήση του προγράμματος PSCAD. Επιπλέον, παρατηρούμε τις δύο συσκευές ελέγχου των διακοπτών προστασίας (Timed Breaker Logic, ΒRΚ1 και BRK2) οι οποίες καθορίζουν τους χρόνους ανοίγματος και κλεισίματος των διακοπτών οι οποίοι θα αποσυνδέσουν την γραμμή με το σφάλμα και θα την επανασυνδέσουν μετά την εκκαθάριση του Σχεδίαση του Σύγχρονου Αντισταθμιστή Όπως αναφέρθηκε αρκετές φορές στα προηγούμενα κεφάλαια ο Σύγχρονος Αντισταθμιστής δεν είναι τίποτα άλλο από μία συμβατική σύγχρονη μηχανή η οποία στρέφεται χωρίς μηχανικό φορτίο και ανάλογα με τη διέγερση που επιβάλλεται τροφοδοτεί ή απορροφά άεργο ισχύ από το σύστημα. Γι αυτό ακριβώς το λόγο, ως Σύγχρονο Αντισταθμιστή θα χρησιμοποιήσουμε μία συμβατική σύγχρονη μηχανή από τη βιβλιοθήκη (Master Library) που διαθέτει το PSCAD, η οποία φαίνεται στο σχήμα 3.10 : Σχήμα 3.10 : Σύγχρονη μηχανή στο πρόγραμμα PSCAD 66

69 Στην μηχανή υπάρχει η δυνατότητα να εφαρμοστεί έλεγχος στροφών όπως επίσης και μηχανικής ροπής, αλλά επειδή σκοπός της διπλωματικής είναι η μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς του αντισταθμιστή θα απλοποιήσουμε το μοντέλο χωρίς να ασχοληθούμε με τον έλεγχο στροφών και θα κρατήσουμε σταθερή την μηχανική ροπή μεταβάλλοντας μόνο το ρεύμα διέγερσης. Επιπλέον, θα θεωρήσουμε ότι η μηχανή δεν υπόκειται σε κορεσμό. Στα επόμενα σχήματα φαίνονται οι πίνακες των βασικών ρυθμίσεων της μηχανής : 67

70 Σχήμα 3.11 : Πίνακες ρυθμίσεων της σύγχρονης μηχανής Στον πρώτο πίνακα παρατηρούμε την επιλογή Number of Q-Axis Damper Windings, όπου αντίστοιχα μπορούμε να επιλέξουμε ένα ή δύο τυλίγματα απόσβεσης. Ένα τύλιγμα αντιστοιχεί σε μηχανή έκτυπων πόλων και δύο σε μηχανή κυλινδρικού δρομέα. Εμείς επιλέξαμε δύο τυλίγματα απόσβεσης καθώς μετά από τις πρώτες προσομοιώσεις το σύστημα έδειξε να ανταποκρίνεται και να λειτουργεί με μεγαλύτερη σταθερότητα και λιγότερες ταλαντώσεις. Επιπλέον, η μηχανή είναι εφοδιασμένη με ένα συγκριτή, ο οποίος φαίνεται στο σχήμα 3.12, έτσι ώστε να περιορίζεται σταδιακά η παροχή ισχύος αμέσως μετά την εκκαθάριση του σφάλματος και εξασφάλιση λειτουργίας με σχεδόν ονομαστικό αριθμό στροφών κατά το σφάλμα. Σχήμα 3.12 : Single Input Level Comparator 68

71 Η σύγχρονη μηχανή που περιγράψαμε διαθέτει μία στερεάς κατάστασης (solid-state) διεγέρτρια τύπου SCRX19 όπως φαίνεται στο σχήμα 3.13 μέσω του PSCAD : Σχήμα 3.13 : Διεγέρτρια τύπου SCRX19 (solid-state) όπου V ref είναι η τάση αναφοράς σε p.u. που η διεγέρτρια προσπαθεί να ελέγξει, Ι f είναι το ρεύμα πεδίου της μηχανής σε p.u., V abc είναι η είσοδος που τροφοδοτείται από μία μετρητική διάταξη σε p.u. και Ε f είναι η ηλεκτρεγερτική δύναμη της μηχανής που μεταβάλλεται ανάλογα με το ρεύμα πεδίου από τη διεγέρτρια. Επιπλέον, η συγκεκριμένη διεγέρτρια αποκρίνεται σε όλες τις εισόδους (inputs) που δέχεται ανεξάρτητα από την κατάσταση που βρίσκεται η σύγχρονη μηχανή. Οι διεγέρτριες και γενικότερα τα συστήματα στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν στα κυκλώματα τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς, ανορθωτές, τρανζίστορ μεταγωγής και διαφόρων συνδεσμολογιών ηλεκτρονικές συσκευές. Το μοντέλο μέσω του προγράμματος PSCAD απλοποιείται σημαντικά παρέχοντας μας τη δυνατότητα να αξιοποιήσουμε τα χαρακτηριστικά της διεγέρτριας με σχετική ευκολία μελετώντας απλά τη συνάρτηση μεταφοράς της (σχήμα 3.7), χωρίς δηλαδή να ασχοληθούμε σε μικροσκοπικό επίπεδο με τα ηλεκτρονικά που περιλαμβάνει. Όπως παρατηρούμε από το σχήμα 3.7, πρόκειται για ένα γραμμικό μοντέλο διεγέρτριας 1 ης τάξης και σύμφωνα με τη συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή και τις σταθερές χρόνου Τ Α και Τ Β, η διεγέρτρια περιλαμβάνει έναν LAG ελεγκτή (στο Bode φάσης ο γεωμετρικός τόπος συναντά πρώτα πόλο και μετά μηδενικό) ο οποίος την επηρεάζει στις χαμηλές συχνότητες περιορίζοντας το μόνιμο σφάλμα. Για την είσοδο V abc της διεγέρτριας χρησιμοποιείται ένα τριφασικό βολτόμετρο που συνδέεται στο ζυγό των 36 kv και μετράει την τάση πριν, μετά και κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος. Το βολτόμετρο συνδέεται με τη σειρά του στην είσοδο V abc της διεγέρτριας και ανάλογα με τη διαφορά V ref -V abc μεταβάλλει το ρεύμα διέγερσης και 69

72 συνεπώς την Ε f της μηχανής ώστε να επιτευχθεί παραγωγή ή κατανάλωση αέργου ισχύος. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε την διεγέρτρια μηχανή που θα χρησιμοποιηθεί στη παρούσα διπλωματική για τον αντισταθμιστή που μελετάμε : Σχήμα 3.14 : Διεγέρτρια Σύγχρονου Αντισταθμιστή με βολτόμετρο Όσον αφορά τις βασικές ρυθμίσεις της διεγέρτριας αυτές συνοψίζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. Να σημειώσουμε ότι επιλέξαμε μικρές σταθερές χρόνου (short time constants [0]), παρόλο που οι σταθερές χρόνου του ελεγκτή της διεγέρτριας είναι μεγάλες, καθώς το σύστημα με αυτόν τον τρόπο αποκρίνεται ταχύτερα και σταθεροποιείται ομαλότερα και πιο γρήγορα. Επίσης, επιλέξαμε ανεξάρτητη πηγή παροχής τάσης για τη διεγέρτρια και όχι παροχή τάσης από ζυγό. Σχήμα 3.15 : Βασικές ρυθμίσεις της διεγέρτριας μηχανής 70

73 Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται το πλήρες κύκλωμα του Σύγχρονου Αντισταθμιστή, τη δυναμική συμπεριφορά του οποίου θα μελετήσουμε. Να τονίσουμε ότι ο αντισταθμιστής συνδέεται στο ζυγό των 36 kv μέσω μετασχηματιστή 13.8/36 kv, ισχύος 32 MVA και επαγωγικής αντίδρασης 10%. Επίσης, έχουν συνδεθεί μετρητικές διατάξεις τόσο στο ζυγό των 36 kv όσο και στους ζυγούς των 10 kv για την μέτρηση της τάσης του ζυγού, της έγχυσης αέργου ισχύος από τον αντισταθμιστή και της ταχύτητας των επαγωγικών κινητήρων. Σχήμα 3.16 : Ο Σύγχρονος Αντισταθμιστής με τη διεγέρτρια του. Στην επόμενη σελίδα παραθέτουμε το πλήρες ενεργειακό σύστημα, που θα μελετηθεί σε πρώτη φάση στην παρούσα διπλωματική, με όλες του τις συνιστώσες όπως αυτό σχεδιάστηκε στο πρόγραμμα PSCAD. Επιπλέον, στο κεφάλαιο που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορους τύπους βραχυκυκλωμάτων-σφαλμάτων που εφαρμόζονται στο δίκτυο μεταφοράς του συστήματος μας και σε διάφορα σημεία του. Τέλος, θα πραγματοποιηθεί ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) από το κεφάλαιο 4 στο κεφάλαιο 5. 71

74 Σχήμα 3.17 Το πλήρες υπό μελέτη σύστημα του Κεφαλαίου 3 72

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : Ο ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ (STATIC VAR COMPENSATOR - SVC) 4.1 Ορισμός του Στατικού Αντισταθμιστή (SVC) Οι Εγκάρσιοι Στατικοί Αντισταθμιστές (για συντομία θα τους αναφέρουμε από εδώ και στο εξής με τη διεθνή συντομογραφία SVC) αποτελούν στις μέρες μας την πιο διαδεδομένη και ευρέως εγκατεστημένη συσκευή της κατηγορίας των FACTS για εφαρμογές εγκάρσιας αντιστάθμισης. Ο SVC (σχήμα 4.1) διαθέτει αποκλειστικά διακόπτες στερεάς κατάστασης και συμπεριφέρεται σαν μία μεταβλητή, παράλληλα συνδεδεμένη αντίσταση η οποία είτε παράγει είτε απορροφά άεργο ισχύ με σκοπό τη ρύθμιση της τάσης στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο. Στην συνηθισμένη του μορφή αποτελείται από ένα TCR (Thyristor Controlled Reactor), δύο TSCs (Thyristor Switched Capacitor) και από φίλτρα αρμονικών FCs. Ελέγχοντας τις γωνίες έναυσης των θυρίστορ μπορούμε να καθορίσουμε το ποσό της αέργου ισχύος που εγχέει ο SVC στο δίκτυο παίρνοντας όλες τις ενδιάμεσες τιμές από πλήρως χωρητική σε πλήρως επαγωγική μέσα σε ένα κύκλο της θεμελιώδους συχνότητας. Στα πλεονεκτήματα του ότι είναι αρκετά γρήγορος, παρέχει ικανοποιητικό έλεγχο και ταχύτατη σύνδεση ή αποσύνδεση των πυκνωτών χωρίς μεταβατικές υπερτάσεις για 73

76 αποκατάσταση του συστήματος μετά την εκκαθάριση βραχυκυκλωμάτων. Επιπλέον, μπορεί να διατηρεί την τάση εντός των προδιαγραφών στη μόνιμη και μεταβατική κατάσταση λειτουργίας του ΣΗΕ και μπορεί να συμβάλει μερικώς στον έλεγχο της ευστάθειας. Σχήμα 4.1 : Μονογραμμικό διάγραμμα SVC Στα μειονεκτήματα του ότι δεν μπορεί να ελέγξει τη ροή πραγματικής ισχύος και η ποσότητα της αέργου ισχύος που παρέχει είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης με αποτέλεσμα να είναι σχετικά μικρή σε περιπτώσεις βυθίσεων τάσης, τότε δηλαδή που το σύστημα την έχει περισσότερο ανάγκη. Ένας ιδανικός μεταβλητός εγκάρσιος αντισταθμιστής θεωρείται ότι δεν πρέπει να περιλαμβάνει ωμικές αντιστάσεις, επομένως το πραγματικό μέρος της σύνθετης αγωγιμότητας θα πρέπει να είναι μηδέν, δηλαδή G SVC = 0. Γι αυτό ακριβώς το λόγο δεν καταναλώνει πραγματική ισχύ από το δίκτυο. Από την άλλη, η άεργος ισχύς του είναι συνάρτηση του τετραγώνου της τάσης στο σημείο σύνδεσης, π.χ. ζυγός 1, και της ισοδύναμης αγωγιμότητας (επαγωγικής ή χωρητικής) του SVC, B SVC, όπου η B SVC ισούται με 1/Χ C ή -1/X L ανάλογα με την μείωση ή την αύξηση του επιπέδου της τάσης στο σημείο σύνδεσης αντίστοιχα. Για τη σύνδεση στο ζυγό 1 ισχύει : P 1 =0 και Q 1 = - V 1 2 B SVC (4.1) 74

77 Σχήμα 4.2 : Σταθμός SVC στο Περού, Νότια Αμερική 4.2 Βασικές Αρχές Λειτουργίας TSC και TCR Όπως αναφέραμε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο, τα βασικά εξαρτήματα ενός συνηθισμένου SVC είναι το TSC και το TCR. Το TSC (Thyristor Switched Capacitor) είναι ένας κλάδος ο οποίος περιλαμβάνει μία συστοιχία πυκνωτών σε σειρά με ένα ζεύγος αντιπαράλληλων θυρίστορ, ενώ το TCR (Thyristor Controlled Reactor) είναι ένας κλάδος που περιλαμβάνει επαγωγές ελεγχόμενες από ζεύγος αντιπαράλληλων θυρίστορ. Ελέγχοντας τις γωνίες έναυσης των θυρίστορ μπορούμε να καθορίσουμε το ποσό της αέργου ισχύος που εγχέει ο SVC στο δίκτυο παίρνοντας όλες τις ενδιάμεσες τιμές από πλήρως χωρητική σε πλήρως επαγωγική. 75

78 Σχήμα 4.3 : Κύκλωμα και κυματομορφές μεταβλητών a)tcr και b)tsc Στο σχήμα 4.3 a) παρουσιάζεται το βασικό κύκλωμα και οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος για να διευκρινισθεί η αρχή λειτουργίας ενός TCR. Το ρεύμα στην επαγωγή και άρα η απορροφούμενη άεργος ισχύς από το TCR ελέγχεται καθυστερώντας την έναυση των θυρίστορ κατά τη γωνία έναυσης α, που μετράται από το σημείο μηδενικής τάσης. Πλήρη αγωγή έχουμε για α=90 ο, ενώ για μερική αγωγή το α μεταβάλλεται μεταξύ 90 ο και 180 ο. Η αύξηση του α ελαττώνει τη θεμελιώδη συνιστώσα το ρεύματος, που συνεπάγεται ελάττωση της απορροφούμενης αέργου ισχύος. Για α 90 ο το ρεύμα παραμορφώνεται και περιέχει αρμονικές, οι οποίες απορροφούνται από του εγκάρσιους πυκνωτές που αξιοποιούνται σαν φίλτρα αρμονικών FCs. Το επαγωγικό ρεύμα καθυστερεί της τάσης κατά περίπου 90 ο, γιατί περιέχει και μία μικρή συμφασική συνιστώσα, που καλύπτει τις απώλειες ισχύος ύψους 0.5-2% της αέργου ισχύος. Με τον TCR επιτυγχάνουμε συνεχή έλεγχο της άεργου ισχύος και πρακτικά δεν δημιουργεί μεταβατικά φαινόμενα. 76

79 Το βασικό κύκλωμα και οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος για να διευκρινισθεί η αρχή λειτουργίας ενός TSC φαίνονται στο σχήμα 4.3 b). Η μικρή επαγωγή υπάρχει στο κύκλωμα για να περιορίζει το ρυθμό αύξησης του ρεύματος στα θυρίστορ σε αποδεκτές τιμές και να αποτρέπει προβλήματα συντονισμού με το ΣΗΕ. Όταν η έναυση των θυρίστορ γίνεται ακριβώς στο μέγιστο της τάσης, έχουμε πλήρη αγωγή του πυκνωτή και το χωρητικό ρεύμα είναι το ίδιο με αυτό που θα είχαμε αν αντικαθιστούσαμε τον ελεγκτή των θυρίστορ με βραχυκύκλωμα. Αποσύνδεση του πυκνωτή επιτυγχάνεται σταματώντας την παλμοδότηση των θυρίστορ, οπότε μετά το πρώτο μηδενικό του ρεύματος σταματά η ροή του. Λόγω της παραμένουσας φόρτισης του πυκνωτή, για να επιτύχουμε ενεργοποίηση του χωρίς μεταβατικές υπερτάσεις πρέπει η ενεργοποίηση του να γίνεται όταν η τάση στα άκρα των θυρίστορ είναι ελάχιστη (ιδανικά μηδέν). Αυτό γίνεται στο σχήμα 4.3 b) που η ενεργοποίηση του πυκνωτή γίνεται όταν η τάση έχει τη μέγιστη τιμή και την ίδια πολικότητα με την παραμένουσα τάση του πυκνωτή (t1). H λειτουργία του TSC, επομένως, βασίζεται στη λογική switch on-off των πυκνωτών της συστοιχίας μέσω των θυρίστορ και όχι στη μεταβολή των γωνιών έναυσης σε ένα πεδίο τιμών όπως στην περίπτωση του TCR. Επιπλέον, η λειτουργία του TSC δεν παράγει αρμονικές και η ενεργοποίηση του προκαλεί βηματικές μεταβολές της άεργης αντιστάθμισης. Συνοψίζοντας, από την οπτική της τροφοδοσίας/απορρόφησης αέργου ισχύος, η έξοδος του SVC, αρχικά, είναι ελεγχόμενη σε όλη τη διάρκεια της διαδικασίας αντιστάθμισης. Για καθαρή απορρόφηση αέργου ισχύος, το TCR βρίσκεται σε πλήρη αγωγή και τα TSCs είναι απενεργοποιημένα, άρα η συνολική άεργη απορρόφηση είναι ίση με τη διαφορά του TCR και των φίλτρων. Από την άλλη, για καθαρή τροφοδοσία αέργου ισχύος, το TCR είναι αποκομμένο και τα TSCs είναι ενεργοποιημένα, οπότε η συνολική άεργη τροφοδοσία ισούται με το άθροισμα των TSCs και των φίλτρων. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μέγεθος του TCR σε MVAR είναι μεγαλύτερο από το μεγαλύτερο TSC, καθώς με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται καλύτερη ρύθμιση της εξόδου του αντισταθμιστή. 4.3 Βασικές Συνιστώσες Συστήματος Ελέγχου του SVC Ένα ολοκληρωμένο, αξιόπιστο και με ταχεία απόκριση σύστημα ελέγχου ενός SVC αποτελείται από επιμέρους μικρότερα συστήματα, τα οποία επικοινωνούν μεταξύ τους. Σε 77

80 αυτήν την κατηγορία ανήκουν συστήματα όπως μετρητικές διατάξεις, ο ρυθμιστής τάσης, η γεννήτρια παραγωγής παλμών, το σύστημα συγχρονισμού και συστήματα που επιτελούν βοηθητικές λειτουργίες ελέγχου και προστασίας. Στο σχήμα 4.4 φαίνεται το διάγραμμα του συστήματος ελέγχου ενός SVC : Σχήμα 4.4 : Ολοκληρωμένο Σύστημα Ελέγχου ενός SVC Τo Σύστημα Μετρήσεων (Measurement System) Τα συστήματα μετρήσεων παρέχουν τις απαραίτητες εισόδους στον ελεγκτή του SVC προκειμένου να εκτελέσει τις λειτουργίες του. Ανάλογα με τη λειτουργία που ο ελεγκτής προορίζεται να πραγματοποιήσει, απαιτούνται διαφορετικές είσοδοι για τον SVC, όπως μέτρηση της τάσης, μέτρηση του ρεύματος και μέτρησης της ισχύος. Όταν ο έλεγχος της τάσης βασίζεται σε ξεχωριστό έλεγχο της φασικής γωνίας της, το σύστημα μέτρησης της τάσης χρησιμοποιείται με σκοπό της παραγωγή ενός DC σήματος, ανάλογο προς την rms τιμή της τάσης των τριών φάσεων στη θεμελιώδη συχνότητα. 78

81 4.3.2 Ο Ρυθμιστής Τάσης (Voltage Regulator) Ο ρυθμιστής τάσης του SVC επεξεργάζεται τις μετρηθείσες μεταβλητές του συστήματος και παράγει ένα σήμα εξόδου προκειμένου να καθορίσει την απαιτούμενη έξοδο αέργου ισχύος του αντισταθμιστή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές μεταβλητές ελέγχου και συναρτήσεις μεταφοράς του ρυθμιστή τάσης ανάλογα με την εφαρμογή του SVC. Οι μετρηθείσες μεταβλητές ελέγχου συγκρίνονται με ένα σήμα αναφοράς και στη συνέχεια ένα σήμα σφάλματος δίνεται σαν είσοδο στη συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή. Η έξοδος του ελεγκτή είναι μία ανά μονάδα (p.u) τιμή αναφοράς της αγωγιμότητας, B ref, η οποία δημιουργείται για να μειώσει το σήμα σφάλματος στο μηδέν στη μόνιμη κατάσταση. Αυτό το σήμα, γενικότερα, είναι ένα μέτρο της παραγωγής ή απορρόφησης αέργου ισχύος που απαιτείται για να διατηρηθεί η τάση του δικτύου σε μία επιθυμητή τιμή. Στη συνέχεια, το σήμα αγωγιμότητας διαβιβάζεται στο κύκλωμα της γεννήτριας παραγωγής παλμών. Επιπλέον, μία μικρή κλίση ή βύθισμα (droop), από 3-5%, ενσωματώνεται στις χαρακτηριστικές μόνιμης κατάστασης του SVC για την επίτευξη συγκεκριμένων πλεονεκτημάτων όπως η πρόληψη συχνής μεταβολής των ορίων αέργου ισχύος Η Γεννήτρια Παραγωγής Παλμών (Gate-Pulse Generator) Το σήμα εξόδου B ref από το ρυθμιστή τάσης μεταβιβάζεται στο block της γεννήτριας παραγωγής παλμών, η οποία παράγει τους κατάλληλους παλμούς για όλες τις βαλβίδες θυρίστορ του SVC με σκοπό την παραγωγή της απαιτούμενης εξόδου αέργου ισχύος από τον αντισταθμιστή. Σε μία κλασσική σχεδίαση ενός SVC ο οποίος περιλαμβάνει κλάδους TSC και TCR η παλμογεννήτρια εκτελεί λειτουργίες όπως : Εξακρίβωση του αριθμού των TSC banks που πρέπει να ενεργοποιούνται ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή ζήτηση χωρητικής αγωγιμότητας. Υπολογισμός του μεγέθους της επαγωγικής χωρητικότητας του TCR προκειμένου να αντισταθμιστεί το πλεόνασμα χωρητικής αγωγιμότητας. 79

82 Ο προσδιορισμός της σειράς με την οποία οι συνδέσεις TSC θα πρέπει να ενεργοποιούνται ανάλογα με την υπάρχουσα πολικότητα των φορτίων στους πυκνωτές, και ως εκ τούτου την εξασφάλιση εναλλαγής των πυκνωτών χωρίς φαινόμενα μεταγωγής, όπως αιχμές υπερτάσεων οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν από δυσλειτουργία μέχρι και καταστροφή ευαίσθητου εξοπλισμού. Υπολογισμός της γωνίας έναυσης για τα θυρίστορ του TCR προκειμένου να εφαρμοσθεί η επιθυμητή επαγωγική αγωγιμότητα στους ακροδέκτες του SVC. Δεδομένου ότι υπάρχει μία ιδιαίτερα μη γραμμική σχέση μεταξύ της γωνίας έναυσης και της ισοδύναμης αγωγιμότητας των ελεγχόμενων πηνίων χρησιμοποιείται μία συνάρτηση γραμμικοποίησης στο μοντέλο με σκοπό να εξασφαλίζει ότι η B ref είναι ισοδύναμη με την B SVC, την πραγματική δηλαδή εγκατεστημένη αγωγιμότητα Το Σύστημα Συγχρονισμού (Synchronizing System) Ο σκοπός του συστήματος συγχρονισμού είναι η δημιουργία παλμών αναφοράς σε συγχρονισμό με τη θεμελιώδη συνιστώσα της τάσης του συστήματος. Ενώ οι παλμοί αναφοράς είναι συγχρονισμένοι με την τάση του συστήματος, ο χρονισμός των αυτών των παλμών πρέπει να είναι ιδιαίτερα αναίσθητος σε μεταβολές-διαταράξεις της τάσης τροφοδοσίας, έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα δημιουργίας αρμονικών που μπορεί να οδηγήσουν σε ενίσχυση των παραμορφώσεων της τάσης και σε αστάθεια του ελέγχου. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό, που ένα σύστημα συγχρονισμού πρέπει να κατέχει, είναι η ακριβής παρακολούθηση της συχνότητας του συστήματος και της φασικής γωνίας. Επίσης, θα πρέπει να λειτουργεί απρόσκοπτα κατά τη διάρκεια σοβαρών σφαλμάτων και να έχει τη δυνατότητα γρήγορου επανασυγχρονισμού για καλύτερη επαναφορά της τάσης μετά την εκκαθάριση του σφάλματος. Μια κοινή μέθοδος δημιουργίας των απαραίτητων παλμών χρονισμού είναι μέσω της χρήσης ταλαντωτών σταθερής φάσεως (phase-locked oscillators). Αυτή είναι μια 80

83 αξιόπιστη μέθοδος για τη δημιουργία ισαπέχοντων παλμών χρονισμού, συγχρονισμένων με το σύστημα και επιπλέον η μέθοδος είναι ιδιαίτερα αναίσθητη σε παραμορφώσεις της τάσεως λόγω αρμονικών Συμπληρωματικές Λειτουργίες Ελέγχου και Προστασίας (Suplementary Control and Protection Functions) Ο ρυθμιστής τάσης του SVC μπορεί συνήθως να βελτιώσει τη δυναμική συμπεριφορά του με την προσθήκη ειδικών λειτουργιών ελέγχου και προστασίας, ανάλογα με τη φύση της μελέτης. Ιδιαίτερα σε μελέτες σφαλμάτων και σταθεροποίησης τάσης, υλοποιείται μία στρατηγική υπότασης (undervoltage) σύμφωνα με την οποία μία λογική ελέγχου ενσωματώνεται στο κύκλωμα ελέγχου του αντισταθμιστή για να μπλοκάρει τον SVC κατά τη διάρκεια σοβαρών βυθίσεων της τάσεως, όπως τριφασικά προς τη γη βραχυκυκλώματα. Αυτό συμβαίνει διότι εάν ο SVC συνεχίσει να λειτουργεί κάτω από αυτές τις συνθήκες, ο ρυθμιστής τάσης ενεργεί έτσι ώστε να κάνει την έξοδο του SVC υπερβολικά χωρητική (highly capacitive), γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε ακραίες υπερτάσεις αμέσως μετά την εκκαθάριση του σφάλματος. Ωστόσο, όταν δεν παρατηρούνται υπερτάσεις μετά το σφάλμα κατά την προσομοίωση, η στρατηγική που περιγράφτηκε απενεργοποιείται. Μία άλλη λειτουργία ελέγχου που συναντάται σε διάφορα μοντέλα είναι η προσθήκη ενός δευτερεύοντος περιοριστή υπέρτασης (secondary overvoltage limiter), ο οποίος εξασφαλίζει ότι η δευτερεύουσα (χαμηλής τάσης) πλευρά του μετασχηματιστή του SVC δεν υπερβαίνει τα όρια των προδιαγραφών κατά τη διάρκεια δυναμικών καταστάσεων όταν η έξοδος του SVC είναι highly capacitive και ο ρυθμιστής τάσης εκτός λειτουργίας. Τέλος, χρησιμοποιείται ευρέως o περιοριστής υπερεύματος (over-current limiter) του TCR προκειμένου να περιορίσει το ρεύμα του TCR σε περιόδους υψηλής τάσης, όπως αυτές που προκαλούνται από απότομες απορρίψεις φορτίων, και να αποφευχθεί τυχόν βλάβη στα θυρίστορ. 81

84 4.4 Μεταφερόμενη Ισχύς Γραμμής με Αντιστάθμιση SVC Θεωρούμε το σύστημα δύο ζυγών συνδεδεμένων με γραμμή μικρού μήκους χωρίς απώλειες και αντιστάθμιση χωρίς απώλειες, όπως αυτό φαίνεται στο σχήμα 4.5 : Σχήμα 4.5 : Σύστημα δύο ζυγών συνδεδεμένων με γραμμή μικρού μήκους Χωρίς βλάβη της γενικότητας θεωρούμε ότι: V s = V r =V, V s =V{cos(δ/2) + jsin(δ/2)} και V r =V{cos(δ/2) - jsin(δ/2)} όπου δ η γωνία μεταξύ V s και V r. Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις : V s = I m (1/jωC) = I m (1/jB C ) I m = jb C V m (4.2) V s V m = j(x/2) I sm (4.3) V m V r = j(x/2) I mr (4.4) I sm = I m + I mr (4.5) 82

85 Από τις (4.3) και (4.4) αφαιρώντας κατά μέλη προκύπτει ότι: V s + V r - 2V m = j(x/2)(i sm I mr ) = j(x/2)i m (4.6) Από τις σχέσεις (4.2) και (4.6) έχουμε ότι: (V s + V r )/2 = V m {1- (X/4)B C } (4.7) Δεδομένου ότι V s =V{cos(δ/2) + jsin(δ/2)} και V r =V{cos(δ/2) - jsin(δ/2)} προκύπτει : (V s + V r )/2 = V{cos(δ/2)} (4.8) Από το συνδυασμό των σχέσεων (4.7) και (4.8) οδηγούμαστε στην ακόλουθη εξίσωση: V{cos(δ/2)} = V m {1- (X/4)B C } V m = {Vcos(δ/2)}/{1- (Χ/4)Β C } (4.9) Η μεταφερόμενη πραγματική ισχύς από το ζυγό αναχώρησης s στο ζυγό άφιξης m, σύμφωνα με τις παραπάνω σχέσεις, είναι: P sm = { V s V m sin(δ/2)}/(χ/2) = {(V 2 /X)sinδ}/{1- (X/4)B C } = P mr (4.10) Οι καμπύλες που δείχνουν τη μεταβολή της πραγματικής μεταφερόμενης ισχύος συναρτήσει της γωνίας δ φαίνονται στο σχήμα 4.6 : 83

86 Σχήμα 4.6 : Καμπύλες μεταβολής πραγματικής ισχύος συναρτήσει της γωνίας δ για διάφορες τιμές B CMAX του SVC. Παρατηρούμε ότι η καμπύλη μεταφερόμενης ισχύος με SVC είναι ίδια με αυτή ενός ιδανικού εγκάρσιου αντισταθμιστή και αλλάζει όταν φθάσουμε το όριο της μέγιστης χωρητικής αγωγιμότητας B CMAX (σημεία Α, Β, Γ). Η γενική ιδέα είναι ότι μπορούμε να αυξήσουμε τη μεταφερόμενη ισχύ αυξάνοντας την τάση κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς (μέσω χωρητικής αντιστάθμισης) όταν οι γεννήτριες επιταχύνονται, ή να την μειώσουμε μειώνοντας την τάση της γραμμής (μέσω επαγωγικής αντιστάθμισης) όταν οι μηχανές επιβραδύνονται. 4.5 Χαρακτηριστική V I του SVC Η χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας V-I του SVC δίνεται στο σχήμα 4.7 : 84

87 Σχήμα 4.7 : Χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας V-I του SVC Όπως έχει προαναφερθεί η λειτουργία του SVC εστιάζεται στη ρύθμιση της τάσης της γραμμής μεταφοράς σε ένα συγκεκριμένο κόμβο. Η παραπάνω χαρακτηριστική δείχνει ότι μπορεί να επιτευχθεί ρύθμιση με δεδομένη κλίση περί την ονομαστική τάση, σε μια περιοχή λειτουργίας καθοριζόμενη από τα μέγιστα χωρητικά και επαγωγικά ρεύματα του SVC. Το μέγιστο χωρητικό ρεύμα μειώνεται γραμμικά (και η παραγόμενη ισχύς τετραγωνικά) συναρτήσει της τάσεως καθώς ο SVC γίνεται ένας σταθερός πυκνωτής όταν φτάσουμε τη μέγιστη χωρητικότητα. Η ερμηνεία της χαρακτηριστικής καμπύλης λειτουργίας V-I του SVC βασίζεται στο σχήμα 4.8. Υποθέτουμε ότι το σύστημα λειτουργεί υπό τάση V 0. Εάν η τάση του συστήματος αυξηθεί (σημείο λειτουργίας V 1 ), ο SVC μετακινεί το σημείο λειτουργίας στο Β απορροφώντας επαγωγικό ρεύμα και κρατάει την τάση στο V 3. Παρομοίως, ο SVC κρατάει την τάση στο V 4 εάν η τάση του συστήματος μειωθεί (σημείο V 2 ). Αυτό φαίνεται στο σχήμα 4.8 που ακολουθεί : 85

88 Σχήμα 4.8 : Ερμηνεία της χαρακτηριστικής καμπύλης λειτουργίας V-I του SVC 4.6 Μοντελοποίηση SVC στο Πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Στο υποκεφάλαιο 4.6 θα παρουσιάσουμε τη σχεδίαση και μοντελοποίηση του στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος και του συστήματος ελέγχου του στο πρόγραμμα PSCAD. Η δυναμική συμπεριφορά του SVC θα εξεταστεί πάνω στο ενεργειακό δίκτυο που παρουσιάστηκε στο υποκεφάλαιο 3.4.1, όπου μελετήσαμε τη συμπεριφορά του σύγχρονου αντισταθμιστή αέργου ισχύος Σχεδίαση Κύριου Κυκλώματος του SVC Για την αντιστάθμιση αέργου ισχύος στο ενεργειακό δίκτυο που μας δίνεται χρησιμοποιείται ένας SVC ισχύος περίπου 32 MVAR. Για την παροχή αέργου ισχύος έχουν εγκατασταθεί δύο βαθμίδες TSC, όπου η καθεμία διαθέτει το 35,8% της ονομαστικής ισχύος, δύο φίλτρα της 3 ης και 5 ης αρμονικής τα οποία έχουν το 10,2% της 86

89 ονομαστικής ισχύος και δύο φίλτρα της 7 ης και 11 ης αρμονικής, όπου το καθένα φέρει το 4% της ονομαστικής ισχύος. Επιπλέον, για την κατανάλωση αέργου ισχύος χρησιμοποιείται ένα TCR με το 38% της ονομαστικής ισχύος. Για την σύνδεση του SVC με το δίκτυο, μεσολαβεί ένας μετασχηματιστής σύζευξης 32 MVA (Y-Δ, 10%), όπου η πλευρά υψηλής τάσης συνδέεται με το Υ γειωμένο. Το κυρίως κύκλωμα του SVC, όπως αυτό χρησιμοποιήθηκε από τη βιβλιοθήκη του PSCAD (master library), φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, τόσο σε μονοφασική όσο και σε τριφασική αναπαράσταση : Σχήμα 4.8 : Μονοφασική και τριφασική αναπαράσταση SVC στο PSCAD Στην δεξιά πλευρά του αντισταθμιστή φαίνονται οι είσοδοι/έξοδοι του και είναι πολύ σημαντικό να γίνει κατανοητή η σημασία τους και ο τρόπος που επιδρούν στην συμπεριφορά του. Αναλυτικότερη επεξήγηση του ρόλου τους θα γίνει στο επόμενο υποκεφάλαιο. NCT : Έξοδος που αναφέρεται στον αριθμό των πυκνωτών που ενεργοποιούνται στο TSC. ICP : Σήμα εξόδου που χρησιμοποιείται ως μάνδαλο για το σήμα εισόδου CSW και επανέρχεται στο 0 όταν η ενεργοποίηση/απενεργοποίηση πυκνωτών σε όλες τις φάσεις έχει ολοκληρωθεί. CSW : Σήμα εισόδου ενεργοποίησης πυκνωτή; στέλνεται το 1 για προσθήκη πυκνωτή και το -1 για απενεργοποίηση πυκνωτή. AO : Σήμα εισόδου που αναφέρεται στον έλεγχο των παλμών έναυσης του TCR. KB : Σήμα εισόδου που μπλοκάρει (με 0) ή απεμπλοκάρει (με 1) τα σήματα προς το TCR. 87

90 Το πρόγραμμα PSCAD παρέχει τη δυνατότητα ρύθμισης με ακρίβεια όλων των χαρακτηριστικών του SVC έτσι ώστε να ταιριάζει στις απαιτήσεις της εκάστοτε μελέτης, Το βασικό κύκλωμα του αντισταθμιστή και οι συνιστώσες του κυκλώματος ελέγχου του (ρυθμιστής τάσης, παλμογεννήτρια κτλ) είναι μοντελοποιημένες κατά συγκεκριμένο τρόπο από το πρόγραμμα, αλλά δίνεται η ευκαιρία στον χειριστή του να τις τροποποιήσει είτε εισάγοντας νέες παραμέτρους και συσκευές είτε να τις χρησιμοποιήσει αυτούσιες μεταβάλλοντας τα κύρια χαρακτηριστικά του. Στα επόμενα σχήματα φαίνονται οι πίνακες ρυθμίσεων των χαρακτηριστικών του SVC, όπως ρυθμίστηκαν για τις ανάγκες της προσομοίωσης. Σχήμα 4.9 : Πίνακες ρυθμίσεων του SVC 88

91 Σχήμα 4.10 : Πίνακες ρυθμίσεων μετασχηματιστή SVC Αρχικά στον πρώτο από τους παραπάνω πίνακες έχουμε επιλέξει τη συχνότητα του συστήματος στα 60 Hz. Σε αντίθεση με την περίπτωση του σύγχρονου αντισταθμιστή όπου χρησιμοποιήθηκε ξεχωριστός μετασχηματιστής για τη σύνδεση του στο ζυγό των 36 89

92 kv, εδώ χρησιμοποιήσαμε τον μετασχηματιστή 32 MVA που διαθέτει ο ίδιος ο SVC χωρίς να υπάρχει καμία απολύτως επιπλοκή στη λειτουργία του συστήματος. Στην συνέχεια, δίνεται η δυνατότητα να επιλέξουμε εσωτερικό ή εξωτερικό σύστημα συγχρονισμού. Εμείς επιλέξαμε έναν ενσωματωμένο ταλαντωτή PLO (Phase-Locked Oscillator) για την παραγωγή των παλμών χρονισμού, που θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή των παλμών έναυσης που θα τροφοδοτηθούν στο TCR. Επιπλέον, στην επιλογή Number of Capacitor Stages πληκτρολογήσαμε την τιμή 2 καθώς είναι δύο οι βαθμίδες TSC που περιλαμβάνει ο SVC, ενώ στην επιλογή Initial Number of TSC Stages On πληκτρολογήσαμε την τιμή 0 καθώς στην αρχή της προσομοίωσης επιθυμούμε να είναι απενεργοποιημένες οι μονάδες παροχής αέργου ισχύος, προφανώς μέχρι την έναρξη της εφαρμοζόμενης διαταραχής. Στον δεύτερο πίνακα του σχήματος 4.9 υπάρχουν όλα τα δεδομένα που σχετίζονται με τα κέρδη του PLO ταλαντωτή, τις αντιδράσεις σκέδασης των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή του SVC, τις on-off αντιστάσεις των θυρίστορ και το μέγεθος της ισχύος του TCR και των TSCs. Σημειώνουμε ότι στην επιλογή Combined MVAR s of all Capacitor Stages φαίνεται η τιμή 32 ΜVAR η οποία περιλαμβάνει εκτός από την ισχύ των πυκνωτών του TSC και την συνολική ισχύ των φίλτρων FCs. Τέλος, στο σχήμα 4.10 φαίνονται οι πίνακες στου οποίους γίνονται οι ρυθμίσεις σχετικά με τις τάσεις των τυλιγμάτων και των ρευμάτων μαγνήτισης του μετασχηματιστή αλλά και των φαινομένων κορεσμού που εμφανίζονται. Σχήμα 4.11 : Ο SVC με τα σήματα ελέγχου του 90

93 Όπως φαίνεται παραπάνω έχει συνδεθεί στην είσοδο ΚΒ ένας συγκριτής με μετατροπέα σήματος από πραγματικό σε ακέραιο (0 ή 1) έτσι ώστε να ενεργοποιηθεί (ή διακοπεί) η παλμοδότηση του TCR Σχεδίαση Συστήματος Ελέγχου του SVC Αναπόσπαστο κομμάτι της σχεδίασης του SVC είναι προφανώς η υλοποίηση του πλήρους συστήματος ελέγχου του, το οποίο περιγράφηκε στη γενική του μορφή σε προηγούμενη ενότητα. Οι κυριότερες συνιστώσες που θα αναλυθούν εκτενώς στο συγκεκριμένο υποκεφάλαιο είναι το κύκλωμα του ρυθμιστή τάσης και το κύκλωμα της γεννήτριας παραγωγής παλμών. Στο σχήμα 4.12 φαίνονται οι μετρητικές διατάξεις του κυκλώματος του ρυθμιστή, οι οποίες θα τροφοδοτήσουν τις εισόδους του και ο ρυθμιστής τάσης με τον ελεγκτή του, οι οποίοι παρέχουν το σήμα εισόδου της γεννήτριας παραγωγής παλμών. Σχήμα 4.12 : Σύστημα μετρήσεων και ρυθμιστής τάσης του SVC Όπως παρατηρούμε παραπάνω στο αρστερό μέρος του σχήματος βρίσκεται το σύστημα μετρήσεων. Αυτό αναλαμβάνει τη μέτρηση της ενεργού τιμής της τάσης στο ζυγό των 36 kv και της αέργου ισχύος από τον αντισταθμιστή στο ζυγό των 13.8 kv. Η μετρούμενη 91

94 τιμή της τάσης οδηγείται σε μία συνάρτηση Min/Max στην οποία συνδέεται μία στάθερα 0.8 pu που αναφέρεται στην ανά μονάδα ονομαστική τάση του ζυγού. Η μετρούμενη τιμή της έγχυσης άεργου ισχύος μαζί με την ονομαστική τιμή της τάσης του αντισταθμιστή οδηγούνται σε ένα διαιρέτη. Τα δύο προκύπτοντα σήματα συνδέονται σε ένα δεύτερο διαιρέτη που μας δίνει το λόγο των δύο σημάτων. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, στο βρόχο που μελετάμε εισάγουμε εσκεμμένα μία υπολογιστική βύθιση της τάξης του 3% για την πρόληψη των μεταβολών στα μέγιστα όρια αέργου ισχύος κατά τη διάρκεια της διαταραχής. Επιπλέον, επειδή ο έλεγχος της φασικής γωνίας της τάσης γίνεται ξεχωριστά από τον έλεγχο του μέτρου της, το σήμα που προκύπτει από το σύστημα μετρήσεων είναι στην ουσία ένα σήμα ανάλογο της rms τιμής της τάσης των τριών φάσεων στη θεμελιώδη συχνότητα. Μετά από τη διαδικασία που περιγράψαμε το σήμα εξόδου από το σύστημα μετρήσεων φιλτράρεται μέσω μίας διάταξης τριών φίλτρων, η οποία αποτελείται από ένα χαμηλοδιαβατό φίλτρο (τονίζει την λεπτομέρεια χαμηλής συχνότητας για να εξομαλύνει το θόρυβο εικόνας ή να μειώσει τα ακραία δεδομένα) και από δύο notch φίλτρα (επιτρέπουν την διέλευση συχνοτήτων εκατέρωθεν της συχνότητας αποκοπής) και τροφοδοτείται στο ρυθμιστή τάσης. Σχήμα 4.13 : Ο ρυθμιστής τάσης του SVC 92

95 Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, το σήμα ελέγχου που προέρχεται από το σύστημα μετρήσεων συγκρίνεται με το σήμα αναφοράς V ref και στη συνέχεια ένα σήμα σφάλματος δίνεται σαν είσοδος στη συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή του ρυθμιστή τάσης. Ο ελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ένας PI controller (αναλογικός ολοκληρωτικός ελεγκτής) που συνδυάζει αθροιστικά τον αναλογικό και τον ολοκληρωτικό έλεγχο. Η συνδεσμολογία του αναλογικού ολοκληρωτικού ελέγχου είναι η συνδεσμολογία του παρακάτω σχήματος : Σχήμα 4.14 : Η συνδεσμολογία του PI ελεγκτή Ο PI ελεγκτής εισάγει ένα πόλο στο μηδέν και ένα μηδενικό στο Κ i /K p συμπέρασμα που προκύπτει από τη συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή. (4.11) Η χρήση του όρου ολοκλήρωσης αποσκοπεί στην εξάλειψη του σφάλματος στη μόνιμη κατάσταση και μεταβάλλει το DC-κέρδος του συστήματος ενώ ο αναλογικός όρος αυξάνει τη ταχύτητα απόκρισης και βελτιώνει την ευστάθεια του συστήματος. Επομένως, όταν χρησιμοποιούμε τον ΡΙ ελεγκτή με την αύξηση του ολοκληρωτικού όρου K i αυξάνεται η φυσική συχνότητα ω n του συστήματος και με την αύξηση του αναλογικού συντελεστή K p αυξάνεται το γινόμενο 2ζω n αλλά χωρίς να μεταβάλλεται η ω n οπότε αυξάνεται ο συντελεστής απόσβεσης του συστήματος με αποτέλεσμα τη μείωση της 93

96 υπερύψωσης. Η ακριβής επίδραση του ΡΙ ελεγκτή στη μεταβατική απόκριση του συστήματος εξαρτάται από μηδενικό s = Κ i /K p που εισάγει ο ελεγκτής στο σύστημα. Τέλος με την εισαγωγή του όρου ολοκλήρωσης το σύστημα για βηματική είσοδο παρουσιάζει μηδενικό σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Ο PI ελεγκτής με τη σειρά του, μετά τη σύγκριση των δύο σημάτων, στέλνει στην έξοδο του ένα reference σήμα της σύνθετης επαγωγικής-χωρητικής αγωγιμότητας Β SVS, το οποίο δημιουργείται για να μειώσει το προηγούμενο σήμα σφάλματος στο μηδέν στην μόνιμη κατάσταση. Το σήμα αυτό αποτελεί στην ουσία ένα μέτρο για τον υπολογισμό της παραγωγής ή απορρόφησης αέργου ισχύος που απαιτείται για να διατηρηθεί η τάση του δικτύου στην επιθυμητή τιμή. Το σήμα αναφοράς Β SVS στη συνέχεια τροφοδοτείται στην είσοδο της γεννήτριας παραγωγής παλμών. Σχήμα 4.15 : Η γεννήτρια παραγωγής παλμών του SVC 94

97 Στο αριστερό άκρο της γεννήτριας παραγωγής παλμών βρίσκεται μία μη-γραμμική χαρακτηριστική για την σύνθετη αγωγιμότητα B, μέσω της οποίας ρυθμίζεται η παλμοδότηση του TCR και των TSCs, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.16 : Σχήμα 4.16 : Χαρακτηριστική συνάρτηση του Β για την παλμοδότηση Στην είσοδο της χαρακτηριστικής τροφοδοτείται το σήμα B SVC από την έξοδο του ελεγκτή του ρυθμιστή τάσης. Από το παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι η χαρακτηριστική έχει ως εισόδους το σήμα αναφοράς της σύνθετης επαγωγικής-χωρητικής αγωγιμότητας Β SVS και το σήμα που αναφέρεται στον αριθμό των βαθμίδων TSC που βρίσκονται σε χρήση (CAPS_ON στην είσοδο Nc). Επίσης, ως εξόδους έχει το σήμα BL που αναφέρεται στην πραγματική εγκατεστημένη σύνθετη επαγωγική αγωγιμότητα των πηνίων του TCR και το σήμα B TCR που αναφέρεται στη συνολική μη-γραμμική επαγωγική αγωγιμότητα εξόδου του TCR, η τιμή της οποίας προκύπτει από την εξίσωση : (4.12) όπου Β Δt = -1/Χ Lps, Χ Lps είναι η αντίδραση σκέδασης του μετασχηματιστή του SVC, Β C1 = 1 / {N C *(T MVA /M TSC +/Χ Lps )}, T MVA είναι η τριφασική ισχύς του μετασχηματιστή και M TSC τα συνολικά MVAR όλων των πυκνωτών. 95

98 Στη συνέχεια, το σήμα B TCR οδηγείται σε ένα διαιρέτη όπου εξομαλύνεται μέσω της διαίρεσης του με το σήμα BL της εγκατεστημένης σύνθετης επαγωγικής αγωγιμότητας των πηνίων. Έπειτα, μεσολαβεί μία μη-γραμμική χαρακτηριστική μεταφοράς η οποία χρησιμεύει στο να πάρει την τελική του μορφή το σήμα που αναφέρεται στην γωνία έναυσης. Τέλος, γίνεται πολλαπλασιασμός με μία σταθερά , ώστε να γίνει μετατροπή του σήματος σε rad, και το τελικό σήμα ελέγχου της γωνίας έναυσης (AORD) στέλνεται ως είσοδος στο κυρίως κύκλωμα του SVC. Η παλμοδότηση των θυρίστορ του TCR προφανώς γίνεται σε συνεργασία με τον PLO ταλαντωτή (Phase-Locked Oscillator). Ο ταλαντωτής παράγει ισαπέχοντες παλμούς αναφοράς συγχρονισμένους με την τάση του δικτύου οι οποίοι διαρκούν όσο χρόνο η προηγούμενη τάση είναι θετική. Από τους παλμούς αυτούς παίρνουμε μία πριονωτή τάση και, επιπλέον, χρησιμοποιούμε μία συνεχή τάση μεταβλητής στάθμης για σύγκριση. Την στιγμή που οι παλμοί της πριονωτής τάσης γίνουν μεγαλύτεροι από την συνεχή τάση, ξεκινάει η παλμοδότηση των θυρίστορ του TCR. Όσον αφορά την παλμοδότηση των δύο TSCs που περιλαμβάνει ο αντισταθμιστής, το σήμα B TCR οδηγείται επίσης σε ένα δεύτερο κλάδο και τροφοδοτείται σε έναν ρυθμιστή υστέρησης (Hysteresis Buffer). Ο ρυθμιστής υστέρησης χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα για την μετατροπή ενός σήματος από πραγματικό σε λογικό (0 ή 1). Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι ότι δεν επιτρέπει την αλλαγή από μία λογική κατάσταση σε μία άλλη εάν το σήμα εισόδου δεν ξεπεράσει εντελώς την τιμή κατωφλίου (input threshold) και όσο το σήμα εισόδου είναι μέσα στην περιοχή υστερήσεως, το προηγούμενο επίπεδο εξόδου διατηρείται. Σχήμα 4.17 : Hysteresis Buffer και ο πίνακας ρυθμίσεων του. 96

99 Το σήμα εισόδου B TCR κατόπιν συγκρίνεται με τις τιμές κατωφλίου του ρυθμιστή υστέρησης. Σύμφωνα με τον τύπο 4.1 για την άεργο ισχύ που τροφοδοτεί ο αντισταθμιστής και όπως γνωρίζουμε από τη θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, αρνητικό Q αντιστοιχεί σε παραγωγή και θετικό Q σε κατανάλωση αέργου ισχύος. Το B TCR, όπως αναφέραμε, είναι ένα μέτρο που αφορά την επαγωγική-χωρητική σύνθετη αγωγιμότητα του SVC και έχει θετικές τιμές για χωρητική και αρνητικές τιμές για επαγωγική. Σαν τιμές κατωφλίου έχουμε θέσει για το Logic 1 Input Level την τιμή 0 και για το Logic 0 Input Level την τιμή Επομένως όταν το σήμα εισόδου έχει τιμές μεγαλύτερες του μηδενός, που αντιστοιχούν σε χωρητικό Β, το σήμα τροφοδοτείται στο κύκλωμα ενεργοποίησης/απενεργοποίησης των πυκνωτών ενώ όταν το σήμα έχει τιμές μικρότερες του -0.1 μπλοκάρεται από τον ρυθμιστή. Εφόσον οι τιμές του σήματος εισόδου ξεπεράσουν τις τιμές κατωφλίου, το σήμα εξόδου του ρυθμιστή υστέρησης ενεργοποιεί μία εντολή CapOn για την προσθήκη/ενεργοποίηση μία βαθμίδας TSC. Σχήμα 4.18 : Υλοποίηση εντολών προσθήκης/αφαίρεσης βαθμίδας TSC Κατόπιν, η εντολή αυτή οδηγείται σε μία λογική συνάρτηση του PSCAD για την προσθήκη/αφαίρεση βαθμίδων TSC (σχήμα 4.19), ώστε να επιτύχουμε την απαιτούμενη παροχή αέργου ισχύος του αντισταθμιστή. Σημειώνουμε ότι η παραπάνω διαδικασία που περιγράψαμε εξελίσσεται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο και για την αφαίρεση βαθμίδων TSC, με τη μόνη διαφορά ότι στον τρίτο κλάδο της παλμογεννήτριας προστίθεται ένα αφαιρέτης. 97

100 Σχήμα 4.19 : Λογική συνάρτηση για προσθήκη/αφαίρεση βαθμίδων TSC Η συνάρτηση που φαίνεται στο σχήμα 4.19 έχει ως σήματα εισόδου τους παλμούς ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης βαθμίδων πυκνωτών (CapOn και CapOff) στις αντίστοιχες εισόδους + και -, το σήμα CAPS_ON στην είσοδο Nc που αναφέρεται στον αριθμό των βαθμίδων TSC που βρίσκονται σε χρήση και το σήμα KB για το μπλοκάρισμα των σημάτων προς τα TSCs. Εντέλει, ως σήμα εξόδου της συνάρτησης λαμβάνεται το σήμα CSW, το οποίο μεταβιβάζεται ως είσοδος στο κυρίως κύκλωμα του SVC για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση των επιλεγμένων βαθμίδων. Στα επόμενα σχήματα παραθέτονται το πλήρες υπό μελέτη σύστημα του κεφαλαίου 4 και το ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου του SVC, η συμπεριφορά των οποίων θα εξεταστεί κατά την εφαρμογή διαφόρων τύπων διαταραχών και θα συγκριθεί με την αντίστοιχη συμπεριφορά του σύγχρονου αντισταθμιστή που περιγράψαμε στο κεφάλαιο 3. 98

101 Σχήμα 4.20 : Το πλήρες υπό μελέτη σύστημα του Κεφαλαίου 4 Σχήμα 4.21 : Το ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου του SVC 99

102 100

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PSCAD/EMTDC Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του Σύγχρονου Αντισταθμιστή και του Στατικού Αντισταθμιστή (SVC) αέργου ισχύος στο πρόγραμμα PSCAD EMTDC για διάφορες περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων (μονοφασικό με τη γη, διφασικό με τη γη, τριφασικό με τη γη),σε διαφορετικές θέσεις του δικτύου και για διαφορετικούς λόγους βραχυκυκλωμάτων SCR (Short Circuit Ratio). Στο δίκτυο μεταφοράς του ενεργειακού δικτύου (Transmission Grid) που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη και των δύο αντισταθμιστών (παρουσιάστηκε αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3), βλέπουμε τη συσκευή παραγωγής βραχυκυκλωμάτων (σχήμα 5.1) μαζί με τον ρυθμιστή που αναλαμβάνει το συγχρονισμό της ανάλογα με τις απαιτήσεις της μελέτης. Η συσκευή αυτή έχει επιλογές (σχήμα 5.2) για εφαρμογή οποιουδήποτε τύπου βραχυκυκλώματος, για ρύθμιση των αντιστάσεων και των ρευμάτων βραχυκυκλώσεως,για την έναρξη όπως επίσης και για τη διάρκεια της διαταραχής, ενώ ο ρυθμιστής της προγραμματίζει την έναρξη και την διάρκεια της εκάστοτε διαταραχής. Σχήμα 5.1 : Συσκευή παραγωγής βραχυκυκλωμάτων με το ρυθμιστή της 101

104 Σχήμα 5.2 : Επιλογές συσκευής για την εφαρμογή του βραχυκυκλώματος Διακρίνουμε τώρα τις περιπτώσεις στις οποίες θα παρουσιάσουμε με γραφικές παραστάσεις από το PSCAD τη συμπεριφορά των δύο αντισταθμιστών ως προς την διατήρηση της τάσης του ζυγού των 36 kv, την έγχυση αέργου ισχύος στο συγκεκριμένο ζυγό και την ταχύτητα των επαγωγικών κινητήρων του εργοστασίου που αποτελούν το κυρίως φορτίο του. 5.1 Διαφορετικοί Τύποι Σφαλμάτων Μονοφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Σε αυτήν την ενότητα θα μελετήσουμε την περίπτωση ενός μονοφασικού προς τη γη σφάλματος που συμβαίνει στο μέσο της δεύτερης γραμμής του συστήματος μεταφοράς, 102

105 δηλαδή σε απόσταση 100 km τόσο από το φορτίο όσο και από την πηγή. Το SCR (Short Circuit Ratio), που στην ουσία αντιπροσωπεύει το λόγο μεταξύ της ισχύος κατά το βραχυκύκλωμα-σφάλμα στο ζυγό των 36 kv και της συνολικής φαινόμενης ισχύος του φορτίου, έχει τιμή 3.9 το οποίο υποδηλώνει ένα σχετικά ισχυρό σύστημα. Αρχικά στα σχήματα 5.3 και 5.4 βλέπουμε τις επιπτώσεις που έχει στην τάση θετικής ακολουθίας του ζυγού των 36 kv όσο και στην ταχύτητα των επαγωγικών κινητήρων, που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του συνδεδεμένου φορτίου, η έλλειψη αντισταθμιστικής διάταξης. Σχήμα 5.3 : Τάση θετικής ακολουθίας στο ζυγό των 36 kv χωρίς αντιστάθμιση Σχήμα 5.4 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών χωρίς αντιστάθμιση 103

106 Όπως φαίνεται και από τα παραπάνω σχήματα η τάση του συστήματος υποβιβάζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό ενώ οι επαγωγικές μηχανές αδυνατούν να ανακτήσουν την ταχύτητα τους. Αντιθέτως, μετά την σύνδεση των αντισταθμιστών το σύστημα καταφέρνει να επιβιώσει χωρίς σημαντικές απώλειες όπως φαίνεται και από τα παρακάτω αποτελέσματα : Σχήμα 5.5 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 104

107 Οι εγχύσεις αέργου ισχύος φαίνονται στα σχήματα 5.6 και 5.7. Ο SVC εγχέει άεργο ισχύ με μία μικρή αργοπορία που προκαλείται λόγω καθυστέρησης στον ελεγκτή του κυκλώματος ελέγχου, ενώ οι σύγχρονοι αντισταθμιστές αντιδρούν ακαριαία λόγω της αλλαγής της τερματικής τους τάσης. Ωστόσο, μετά την αρχική καθυστέρηση, ο SVC παρέχει περισσότερη αέργο ισχύ λόγω του ταχύτερου ελέγχου της τάσης σε σχέση με τους σύγχρονους αντισταθμιστές οι οποίες έχουν μεγαλύτερες σταθερές χρόνου. Σχήμα 5.6 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 105

108 Έτσι, όπως φαίνεται και από τις γραφικές παραστάσεις ο SVC αποκαθιστά την τάση στην ονομαστική τιμή σχεδόν το ίδιο γρήγορα με τον σύγχρονο αντισταθμιστή αλλά χωρίς διακυμάνσεις, ενώ οι επαγωγικές μηχανές ανακτούν λίγο πιο γρήγορα την ταχύτητα τους με τον SVC, καθώς η άεργος ισχύς που χρειάζονται προσφέρεται σε μεγαλύτερο βαθμό από τον συγκεκριμένο αντισταθμιστή. Σχήμα 5.7 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 106

109 5.1.2 Διφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Για την περίπτωση διφασικού προς τη γη βραχυκυκλώματος, η προκύπτουσα τάση θετικής ακολουθίας, η έγχυση αέργου ισχύος και η ταχύτητα των επαγωγικών μηχανών φαίνονται στα σχήματα 5.8, 5.9 και 5.10 : Σχήμα 5.8 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 107

110 Τώρα η τάση θετικής ακολουθίας μειώνεται περισσότερο στην περίπτωση που χρησιμοποιείται SVC σε σύγκριση με την περίπτωση που χρησιμοποιείται σύγχρονος αντισταθμιστής. Επίσης, ο σύγχρονος αντισταθμιστής καταφέρνει να επαναφέρει την τάση γρηγορότερα στην ονομαστική της τιμή. Η εξήγηση είναι ότι ο SVC εγχέει λιγότερη άεργο ισχύ κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος αλλά και μετά το βραχυκύκλωμα, μέχρις ότου η γραμμή συνδεθεί πάλι. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο SVC παρέχει άεργο ισχύ ανάλογα με το τετράγωνο της τερματικής του τάσης, επομένως σοβαρές βυθίσεις τάσης στους ακροδέκτες του περιορίζουν αισθητά την ικανότητα του να υποστηρίζει την τάση στον ζυγό που τον έχουμε συνδέσει. Σχήμα 5.9 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 108

111 Επιπλέον, καταλαβαίνουμε ότι και η ταχύτητα των επαγωγικών μηχανών ελαττώνεται περισσότερο με τον SVC παρά με τον σύγχρονο αντισταθμιστή, εξαιτίας της χαμηλότερης τάσης θετικής ακολουθίας. Σχήμα 5.10 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 109

112 5.1.3 Τριφασικό προς τη Γη Βραχυκύκλωμα Πρόκειται για την πιο σοβαρή και πιο σπάνια στην εμφάνιση περίπτωση σε σχέση με τις δύο προηγούμενες και οι συνέπειες της, όπως θα δούμε, είναι πιο έντονες και πιο σοβαρές. Η προκύπτουσα τάση θετικής ακολουθίας όπως φαίνεται στο σχήμα 5.11 μειώνεται εμφανώς περισσότερο με τον SVC και πιο συγκεκριμένα το σύστημα καταρρέει λόγω ανεπαρκούς έγχυσης αέργου ισχύος. Σχήμα 5.11 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 110

113 Από την άλλη, η άεργος ισχύς που παρέχεται από τον σύγχρονο αντισταθμιστή ολοένα και αυξάνεται. Όσο περισσότερο μειώνεται η τάση θετικής ακολουθίας, τόσο περισσότερη άεργος ισχύς εγχέεται στο ζυγό (σχήμα 5.12), λόγω του ότι η παραγωγή της είναι ανάλογη της διαφοράς της τερματικής τάσης με την εσωτερική τάση της σύγχρονης μηχανής που δημιουργείται στο στάτη από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Σχήμα 5.12 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 111

114 Η ταχύτητα των επαγωγικών μηχανών μειώνεται ξανά περισσότερο με τον SVC αλλά σε μεγαλύτερο βαθμό, με αποτέλεσμα να μην μπορούν οι μηχανές να ανακτήσουν την ταχύτητα τους μετά την εκκαθάριση του βραχυκυκλώματος. Οι γραφικές παραστάσεις της γωνιακής ταχύτητας των επαγωγικών μηχανών παραθέτονται στα παρακάτω σχήματα : Σχήμα 5.13 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC 112

115 Αντιλαμβανόμαστε, εντέλει, ότι ο SVC παρέχει καλύτερη αντιστάθμιση αέργου ισχύος όταν υπάρχει μικρότερη βύθιση τάσης στο ζυγό των 36 kv, ενώ όταν η τάση πέφτει περισσότερο, όπως στην περίπτωση διφασικού και τριφασικού προς τη γη σφάλματος, ο σύγχρονος αντισταθμιστής εγχέει μεγαλύτερα ποσά έργου ισχύος από τον SVC υποστηρίζοντας καλύτερα την τάση στο ζυγό. 5.2 Διαφορετικές Τοποθεσίες Σφαλμάτων Οι προηγούμενες προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με την εφαρμογή του σφάλματος στο μέσο της γραμμής, δηλαδή σε ίση απόσταση από την πηγή και από το φορτίο. Γενικότερα, η μέση απόσταση θεωρείται μία πολύ καλή προσέγγιση για τον σκοπό αυτών των μελετών. Για να προσδιορίσουμε όμως την ευαισθησία της θέσης του σφάλματος θα το εφαρμόσουμε και σε διαφορετικές θέσεις πέραν του μέσου της γραμμής. Αρχικά, η θέση αλλάζει στα 50 km από την πηγή, που αντιστοιχεί στο 25% του μήκους της γραμμής και στη συνέχεια αλλάζει στα 150 km από τη γραμμή, που αντιστοιχεί στο 75% του μήκους της γραμμής. Στη συνέχεια θα εφαρμόσουμε ένα μονοφασικό προς τη γη βραχυκύκλωμα και θα συγκρίνουμε την δυναμική συμπεριφορά των δύο υπό μελέτη αντισταθμιστών. Αρχικά, από τις παρακάτω γραφικές παραστάσεις παρατηρούμε ότι τάση θετικής ακολουθίας μειώνεται περισσότερο όταν η θέση είναι πιο κοντά στο φορτίο και συνεπώς πιο μακριά από τη πηγή. Όταν το σφάλμα συμβαίνει κοντά στην πηγή και οι δύο αντισταθμιστές υποστηρίζουν κατά προσέγγιση το ίδιο καλά την τάση, καθώς το βύθισμα κυμαίνεται στο 0.1 p.u.. Η μόνη διαφορά είναι ότι με τον σύγχρονο αντισταθμιστή η τάση επανέρχεται γύρω από την ονομαστική της τιμή (1 p.u.) ταχύτερα αλλά προς το τέλος και κατά την εκκαθάριση του βραχυκυκλώματος εμφανίζονται διακυμάνσεις-ταλαντώσεις της. 113

116 Σχήμα 5.14 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 50 km από την πηγή - 25% του μήκους γραμμής ) 114

117 Σχήμα 5.15 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 50 km από την πηγή - 25% του μήκους γραμμής ) Και σε αυτή την περίπτωση ο SVC εγχέει μεγαλύτερα ποσά αέργου ισχύος, αλλά με μία μικρή καθυστέρηση λόγω του συστήματος ελέγχου του, σε σχέση με το σύγχρονο αντισταθμιστή ο οποίος αντιδρά ακαριαία λόγω αλλαγής στην τερματική του τάση. Επιπλέον, παρατηρούμε μεγαλύτερη έγχυση αέργου ισχύος και μετά το πέρας του βραχυκυκλώματος από τον SVC γεγονός που μαρτυρά την πιο εξομαλυμένη κυματομορφή τάσης λίγο πριν και αφού συνδεθεί ξανά η γραμμή μεταφοράς. 115

118 Σχήμα 5.16 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 50 km από την πηγή - 25% του μήκους γραμμής ) Σύμφωνα με τα σχήματα 5.16 η ταχύτητα μειώνεται ελάχιστα περισσότερο όταν χρησιμοποιείται σύγχρονος αντισταθμιστής καθώς η έγχυση αέργου ισχύος στην περίπτωση του είναι μικρότερη. 116

119 Όταν αλλάζουμε τη θέση του σφάλματος στο 75% του μήκους της γραμμής ή αλλιώς 150 km από τη πηγή και πρακτικά βρισκόμαστε κοντά στο φορτίο η έγχυση αέργου ισχύος μειώνεται ελαφρά με τον SVC, ενώ η απόδοση του σύγχρονου αντισταθμιστή βελτιώνεται κατά το σφάλμα. Σχήμα 5.17 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 150 km από την πηγή - 75% του μήκους γραμμής ) 117

120 Ωστόσο, μετά την εκκαθάριση του σφάλματος η τάση αρχίζει να ανεβαίνει γεγονός που βοηθάει τον SVC να εγχέει περισσότερη άεργο ισχύ λόγω της ταχύτερης απόκρισης του, ενώ ο σύγχρονος αντισταθμιστής αντιδρά πιο αργά λόγω των μεγάλων σταθερών χρόνου του τυλίγματος πεδίου του. Σχήμα 5.18 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 150 km από την πηγή - 75% του μήκους γραμμής ) 118

121 Η ταχύτητα των επαγωγικών μηχανών μειώνεται περισσότερο όταν το σφάλμα είναι πιο κοντά στο φορτίο, όπως βλέπουμε από τα σχήματα 5.16 και Σχήμα 5.19 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( 150 km από την πηγή - 75% του μήκους γραμμής ) Η πτώση της ταχύτητας είναι συνδεδεμένη με την πτώση τάσης θετικής ακολουθίας καθώς τόσο η ανάκαμψη της ταχύτητας των επαγωγικών μηχανών όσο και η υποστήριξη της 119

122 τάσης του ζυγού εξαρτώνται από την άεργο ισχύ. Όταν το σφάλμα συμβαίνει πιο κοντά στην πηγή, η ταχύτητα είναι υψηλότερη λόγω της μεγαλύτερης έγχυσης αέργου ισχύος από τον SVC. Αυτό το πλεονέκτημα του SVC χάνεται όσο πλησιάζουμε το φορτίο και η πτώση τάσης κατά το σφάλμα αυξάνεται. 5.3 Διαφορετικά SCR (Short-Circuit Ratio) Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, το Short-Circuit Ratio ( για συντομία θα το αναφέρουμε SCR ή λόγο βραχυκυκλώματος) είναι ο λόγος μεταξύ της ισχύος ενός βραχυκυκλώματος σε ένα ζυγό και της συνολικής φαινόμενης ισχύος του φορτίου. Αυτός ο λόγος μαζί με το Short-Circuit Capacity (SCC ή αλλιώς αντοχή σε βραχυκύκλωμα) αποτελούν στην ουσία τα δύο βασικά μέτρα που αντιπροσωπεύουν την αντοχή ενός δικτύου και κατά συνέπεια το πόσο ισχυρό είναι απέναντι σε διάφορους τύπους διαταραχών. Στα υποκεφάλαια 5.1 και 5.2 οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για διαφορετικούς τύπους σφαλμάτων και σε διαφορετικές τοποθεσίες του δικτύου μεταφοράς με τη μόνη διαφορά ότι το SCR παρέμενε σταθερό σε μία τιμή της τάξης του 3.9 που αντιπροσωπεύει ένα σχετικά ισχυρό δίκτυο. Στο συγκεκριμένο όμως κεφάλαιο, για να παρατηρήσουμε την επίδραση διαφόρων SCR, θα μελετήσουμε την συμπεριφορά των δύο αντισταθμιστών για SCR=2.4 και SCR=5.8. Η τιμή SCR=2.4 αντιστοιχεί σε αδύναμο δίκτυο και προκύπτει αλλάζοντας το μήκος των γραμμών από 200 km σε 400 km και διατηρώντας όλες τις παραμέτρους του δικτύου και του φορτίου αμετάβλητες. Αντιθέτως, η τιμή SCR=5.8 αντικατοπτρίζει ένα αρκετά ισχυρό δίκτυο και προκύπτει μειώνοντας το μήκος των γραμμών μεταφοράς από 200 km σε 100 km. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης στο PSCAD προέκυψαν από την εφαρμογή ενός μονοφασικού προς τη γη σφάλματος, χωρίς να αλλάξουμε καμία από τις παραμέτρους του δικτύου. 120

123 Σχήμα 5.20 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=2.4 ) Σύμφωνα με το σχήμα 5.20 χρειάζεται περισσότερος χρόνος για τον σύγχρονο αντισταθμιστή προκειμένου να φέρει το επίπεδο τάσης πίσω στην ονομαστική τιμή όταν το SCR μειώνεται στο 2.4 (λιγότερο ισχυρό δίκτυο), παρόλο που κατά το σφάλμα η τάση μειώνεται μόνο στο 88-90%. 121

124 Η σοβαρότητα της συγκεκριμένης περίπτωσης οφείλεται στο γεγονός ότι οι επαγωγικοί κινητήρες, όταν το σφάλμα καθαρίζεται, ξεκινούν να καταναλώνουν σημαντικό ποσό άεργου ισχύος προκειμένου να ανακτήσουν πάλι την ταχύτητα τους το συντομότερο δυνατόν. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος αλλά και της αργής απόκρισης των σύγχρονων αντισταθμιστών για χαμηλής τάσης αλλαγές, η τάση συνεχίζει να πέφτει και χρειάζεται περισσότερος χρόνος για τον σύγχρονο αντισταθμιστή ώστε να αποκαταστήσει το επίπεδο της τάσης του ζυγού στο 1 p.u. Σχήμα 5.21 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=2.4 ) 122

125 Ο SVC αντιθέτως έχει πολύ καλύτερη απόδοση σε αυτή την περίπτωση, καταφέρνοντας να διατηρήσει την τάση ακόμα και κατά το βραχυκύκλωμα στο 90-95% και αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα του για έγχυση αέργου ισχύος και γρήγορη απόκριση διατηρεί την τάση σχεδόν στο 1 p.u., με εξαίρεση μία μικρή υπέρταση που εμφανίζεται στο 8 ο sec (οφείλεται σε καθυστέρηση στη μέτρηση), τη στιγμή δηλαδή που κλείνουν οι διακόπτες και επανασυνδέεται η γραμμή. Σχήμα 5.22 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=2.4 ) 123

126 Όταν το SCR αυξάνεται στο 5.8, τιμή που αντιστοιχεί σε ένα ισχυρό δίκτυο, τότε το σύστημα δεν θα καταρρεύσει ακόμα και αν δεν υποστηρίζεται από συσκευές αντιστάθμισης αέργου ισχύος, όπως μπορούμε να δούμε και από το σχήμα 5.23 : Σχήμα 5.23 : Τάση θετικής ακολουθίας χωρίς αντιστάθμιση και SCR=5.8 Παρόλα αυτά οι υπό μελέτη αντισταθμιστές αέργου ισχύος βοηθούν στην αποκατάσταση της τάσης στο ζυγό των 36 kv ταχύτερα και στην ανάκτηση της ταχύτητας των επαγωγικών κινητήρων του εργοστασίου. Στις επόμενες σελίδες παραθέτονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για ένα μονοφασικό σφάλμα στο μέσο της γραμμής των 100 km με SCR=5.8 για την τάση θετικής ακολουθίας στο ζυγό των 36 kv, τις εγχύσεις αέργου ισχύος και την ταχύτητα των επαγωγικών μηχανών : 124

127 Σχήμα 5.24 : Τάση θετικής ακολουθίας με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=5.8 ) 125

128 Σχήμα 5.25 : Έγχυση αέργου ισχύος από Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=5.8 ) 126

129 Σχήμα 5.26 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών με Σύγχρονο Αντισταθμιστή και SVC ( Short Circuit Ratio=5.8 ) 127

130 5.4 Συμπεράσματα-Παρατηρήσεις Στο υποκεφάλαιο 5.4, που αποτελεί και το τελευταίο κομμάτι της παρούσας διπλωματικής εργασίας, γίνεται μία σύνοψη-ανασκόπηση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας των δύο αντισταθμιστών και μία σύντομη παρουσίαση των συμπερασμάτων που προέκυψαν από αυτά. Αρχικά, οι αντισταθμιστές χρησιμοποιήθηκαν για την αντιμετώπιση τριών βασικών διαταραχών, όπως το μονοφασικό, το διφασικό και το τριφασικό προς τη γη βραχυκύκλωμα. Στη συνέχεια η σύγκριση της δυναμικής τους συμπεριφοράς εξετάστηκε πάνω στην εφαρμογή ενός μονοφασικού προς τη γη βραχυκυκλώματος, αλλάζοντας σε κάθε περίπτωση την τοποθεσία του σφάλματος και την ευκαμψία του δικτύου μέσω του λόγου SCR. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, ως προς το είδος των διαταραχών, είδαμε ότι ο SVC υποστηρίζει καλύτερα την τάση του ζυγού που μας ενδιαφέρει και παρέχει περισσότερη άεργο ισχύ όταν η διαταραχή δεν είναι ιδιαίτερα σοβαρή (μονοφασικό προς τη γη βραχυκύκλωμα) και δεν σημειώνεται μεγάλη πτώση τάσης στους ακροδέκτες του. Αυτό οφείλεται στο ότι η παροχή αέργου ισχύος του SVC είναι ανάλογη του τετραγώνου της τερματικής του τάσης. Επιπλέον, μετά το πέρας την διαταραχής, λόγω της ακρίβειας του συστήματος ελέγχου του και της γρήγορης απόκρισης του σε μικρές αλλαγές της τάσης εξομαλύνει την τάση στο ζυγό, η οποία παρουσιάζεται χωρίς μεταβατικές υπερτάσεις και ταλαντώσεις γύρω από την ονομαστική της τιμή. Αντιθέτως, ο σύγχρονος αντισταθμιστής αντιδρά καλύτερα και παρουσιάζεται πιο αξιόπιστος σε μεγαλύτερης κλίμακας διαταραχές (διφασικό και τριφασικό προς τη γη βραχυκύκλωμα). Παρά το γεγονός ότι αδυνατεί να ακολουθήσει μικρές πτώσεις στην τάση του ζυγού, εκμεταλλευόμενος την ιδιότητα του να παρέχει αέργο ισχύ ανάλογα με τη διαφορά της τερματικής του τάσης από την εσωτερική τάση της μηχανής που δημιουργείται στο στάτη της, αυξάνει την τροφοδοτούμενη άεργο ισχύ όσο μειώνεται η τάση θετικής ακολουθίας. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται η επιβίωση του δικτύου ακόμα και στην περίπτωση τριφασικού προς τη γη σφάλματος, ενώ παρατηρείται 128

131 κατάρρευση του και αδυναμία ανάκτησης της ταχύτητας των επαγωγικών μηχανών όταν χρησιμοποιείται ο SVC. Αλλάζοντας στη συνέχεια την τοποθεσία του σφάλματος, εφαρμόζοντας το, εκτός από το μέσο της γραμμής, είτε κοντά στην πηγή τάσης (25% μήκους γραμμής) είτε κοντά στο φορτίο (75% μήκους γραμμής) οδηγηθήκαμε σε συμπεράσματα που παρουσιάζονται μέσω των σχημάτων 5.27, 5.28 και 5.29 : Σχήμα 5.27 : Τάση θετικής ακολουθίας συναρτήσει της τοποθεσίας του σφάλματος Όταν βρισκόμαστε κοντά στην πηγή, μέχρι και το μέσο της γραμμής, παρατηρούμε ότι οι αντισταθμιστές υποστηρίζουν εξίσου καλά την τάση (περίπου στο 0.9 p.u. κατά το σφάλμα) με τον SVC να έχει ελαφρώς πιο βελτιωμένη συμπεριφορά. Όσο όμως πλησιάζουμε προς το φορτίο η απόδοση των αντισταθμιστών πέφτει, ιδιαίτερα στο 75% της απόστασης, με τον σύγχρονο αντισταθμιστή να έχει καλύτερη δυναμική συμπεριφορά και μεγαλύτερη υποστήριξη της τάσης σε σχέση με τον SVC, ο οποίος βελτιώνει τη δυναμική του συμπεριφορά μετά το πέρας του σφάλματος, κατά τη διάρκεια δηλαδή της αποκατάστασης της γραμμής. Όσον αφορά την παροχή αέργου ισχύος (σχήμα 5.28), ο SVC παραδοσιακά εγχέει μεγαλύτερα ποσά αέργου ισχύος από τον σύγχρονο αντισταθμιστή αλλά η απόδοση του 129

132 πέφτει σταθερά καθώς η τοποθεσία του σφάλματος πλησιάζει το φορτίο. Από την άλλη η απόδοση του σύγχρονου αντισταθμιστή αυξάνεται όσο πλησιάζουμε το φορτίο και παρά το γεγονός ότι εγχέει λιγότερη ισχύ διατηρεί την τάση σε υψηλότερο επίπεδο. Αυτό οφείλεται επίσης στο γεγονός ότι ανταποκρίνεται ακαριαία στην πτώση τάσης του ζυγού, παρέχοντας άεργο ισχύ χωρίς καθυστέρηση, ενώ ο SVC αδυνατεί να ανταποκριθεί εγκαίρως λόγο της πτώσης της τερματικής του τάσης κατά το βραχυκύκλωμα. Σχήμα 5.28 : Έγχυση αέργου ισχύος συναρτήσει της τοποθεσίας του σφάλματος Σχήμα 5.29 : Ταχύτητα επαγωγικών μηχανών συναρτήσει της τοποθεσίας του σφάλματος 130

133 Επιπλέον, όπως φαίνεται από το σχήμα 5.29, η ελάχιστη ταχύτητα των επαγωγικών κινητήρων του εργοστασίου μειώνεται περισσότερο όταν το σφάλμα εφαρμόζεται ολοένα και πιο κοντά στο φορτίο. Επειδή η ταχύτητα είναι συνδεδεμένη με την τάση θετικής ακολουθίας του ζυγού των 36kV και κατ επέκταση με την άεργο ισχύ που εγχέεται σε αυτόν, λόγω μεγαλύτερης έγχυσης αέργου ισχύος από τους αντισταθμιστές η ταχύτητα είναι υψηλότερη όταν το σφάλμα συμβαίνει κοντά στην πηγή τροφοδοσίας. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος της διαδικασίας προσομοίωσης, μεταβάλλαμε το μήκος των γραμμών μεταφοράς του συστήματος, προκειμένου να εξετάσουμε την συμπεριφορά των αντισταθμιστών στις περιπτώσεις ασθενούς (SCR=2.4), μέτρια ισχυρού (SCR=3.9) και ισχυρού (SCR=5.8) δικτύου. Οι υπόλοιπες παράμετροι του ενεργειακού συστήματος και των αντισταθμιστών διατηρήθηκαν αμετάβλητες και το βραχυκύκλωμα εφαρμόσθηκε στο μέσο της δεύτερης γραμμής μεταφοράς. Σχήμα 5.30 : Τάση θετικής ακολουθίας συναρτήσει του SCR Στην περίπτωση του αδύναμου δικτύου (SCR=2.4) ο SVC διατηρεί την τάση σε υψηλότερο επίπεδο και σε πολύ ικανοποιητική τιμή, της τάξης του p.u., ενώ ο σύγχρονος αντισταθμιστής παρόλο που την υποστηρίζει ικανοποιητικά κατά τη διάρκεια του σφάλματος αδυνατεί να συνεχίσει στο ίδιο ρυθμό και μετά το σφάλμα με αποτέλεσμα, λόγω ανεπαρκούς έγχυσης αέργου ισχύος, η τάση να βυθίζεται ξανά, η ταχύτητα των 131

134 επαγωγικών μηχανών να μειώνεται περισσότερο και να ανακτάται πλήρως με καθυστέρηση. Σε ένα μέτρια ισχυρό σύστημα (SCR=3.9) η απόδοση του SVC πέφτει όπως και του σύγχρονου αντισταθμιστή με την μόνη διαφορά ότι ο δεύτερος βελτιώνεται και στον τομέα της υποστήριξης της τάσης και στον τομέα της παροχής άεργου ισχύος όσο αυξάνεται η ακαμψία του δικτύου (αύξηση του SCR). Όπως βλέπουμε και από τα σχήματα 5.30 και 5.31 ο σύγχρονος αντισταθμιστής παρέχει λιγότερη αέργο ισχύ στο ζυγό αλλά βελτιώνει εμφανώς την απόδοση του συγκριτικά με τον SVC και υποστηρίζει καλύτερα την τάση στην περίπτωση ενός ισχυρού-άκαμπτου δικτύου (SCR=5.8). Σχήμα 5.31 : Έγχυση αέργου ισχύος συναρτήσει του SCR Είναι επομένως εύκολα κατανοητό ότι ο σύγχρονος αντισταθμιστής αποτελεί μία πλέον αξιόπιστη λύση για το πρόβλημα της άεργου αντιστάθμισης στις περιπτώσεις σοβαρών σφαλμάτων και ισχυρών δικτύων, σε αντίθεση με τον SVC που επιδεικνύει καλύτερη δυναμική συμπεριφορά όταν συνδέεται σε αδύναμα δίκτυα και παρατηρούνται μικρότερες βυθίσεις στην τάση.. 132