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

Transcript

1 Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Σαλτερής Παναγιώτης του Ευσταθίου Αριθμός Μητρώου: 5758 Θέμα «Μελέτη υβριδικού συστήματος που αποτελείται από διασύνδεση συνεχούς ρεύματος και στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για μεταφορά ενέργειας σε απομονωμένα δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή» Επιβλέπων Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη υβριδικού συστήματος που αποτελείται από διασύνδεση συνεχούς ρεύματος και στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για μεταφορά ενέργειας σε απομονωμένα δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σαλτερής Παναγιώτης του Ευσταθίου Αριθμός Μητρώου: 5758 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 10/10/2012 Ο Επιβλέπων Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνης Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη υβριδικού συστήματος που αποτελείται από διασύνδεση συνεχούς ρεύματος και στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για μεταφορά ενέργειας σε απομονωμένα δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή» Φοιτητής: Σαλτερής Παναγιώτης Επιβλέπων: Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος που περιλαμβάνει έναν HVDC μετατροπέα (με θυρίστορ μεταγωγής γραμμής) και ένα στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας σε δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη διασύνδεση σε ένα κεντρικό δίκτυο. Το προτεινόμενο σύστημα συνδυάζει καλή απόδοση, χαμηλό κόστος και μικρή απώλεια ισχύος από τον HVDC μετατροπέα με τη γρήγορη δυναμική απόδοση ενός συστήματος μεταφοράς στηριζόμενο σε VSC (μετατροπέας πηγής τάσης). Η μελέτη περιγράφει τις αρχές και τις στρατηγικές ελέγχου του προτεινόμενου συστήματος. Επίσης παρουσιάζονται προσομοιώσεις στο πρόγραμμα PSCAD που καταδεικνύουν τη δυναμική συμπεριφορά και αξιολογούν το προτεινόμενο σύστημα κάτω από διάφορες συνθήκες λειτουργίας, όπως ψυχρή εκκίνηση, αυξομειώσεις φορτίου ή παραγωγής και συνθήκες ac σφαλμάτων. 3

4 Abstract The current diploma thesis deals with the development of a hybrid system comprising an HVDC converter (line commutated thyristor) and a STATCOM which is proposed for the connection of networks with no synchronous generation to a main grid. The proposed system combines the robust performance and low capital cost and power loss of a line-commutated HVDC converter, with the fast dynamic performance of a VSC system. The thesis describes the principles and control strategies of the proposed system. PSCAD/EMTDC simulations are presented to demonstrate the robust performance and to validate the proposed system during various operating conditions such as black-start, variations of load or generation and ac fault conditions. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ/ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ/ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) ΜΕ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ (VOLTAGE SOURCE CONVERTERS - VSC) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC Μαγνητικά πεδία από τα καλώδια ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC ΜΕΘΟΔΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΛΑΤΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΜΠΤ (VSC) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC Σύνδεση ΑΠ στο κεντρικό δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος Τροφοδότηση απομακρυσμένων φορτίων Πολυτερματικά δίκτυα ΣΡ Τροφοδότηση κέντρων πόλεων ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΕΡΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΕΥΕΛΙΚΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΜΙΑ HVDC ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΕΝΟΣ ΠΑΘΗΤΙΚΟΥ AC ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΣΩ ΜΙΑΣ HVDC ΣΥΝΔΕΣΗΣ Χρήση σύγχρονων πυκνωτών (Synchronous Condensers) Χρήση στατικών VAR αντισταθμιστών (Static VAR Compensators) ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΠΥΚΝΩΤΕΣ (STATCONs) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Έλεγχος της συχνότητας και της τάσης Λειτουργία της HVDC σύνδεσης Ενεργοποίηση από κατάσταση μπλακάουτ

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΩΝ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ (CONVERTERS) Γέφυρα 12 παλμών Μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (Line-Commutated Current Source Converters, CSC) Μετατροπείς μεταγωγής μέσω πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters, CCC) Μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (Self-Commutated Voltage Source Converters, VSC) ΦΙΛΤΡΑ AC ΦΙΛΤΡΑ DC ΦΙΛΤΡΑ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ (CONVERTER TRANSFORMERS) ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΕΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ (SMOOTHING REACTORS) ΕΚΤΡΟΠΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ (HIGH VOLTAGE SURGE ARRESTORS) ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (HVDC CONTROL) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟ PSCAD ΓΙΑΤΙ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΟΥΜΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Back-to-back διασύνδεση Μονοπολική διασύνδεση Διπολική διασύνδεση Διπολική διασύνδεση με χρήση της γης ως επιστροφή Διπολική διασύνδεση με χρήση μεταλλικής επιστροφής Πολυτερματικά συστήματα (Multi-Terminal, MTDC) ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΤΟΥ DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς

7 4.3.2 Το θυρίστορ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΟΥ ΜΕΤΑΓΩΓΗ Οι γωνίες της γέφυρας του μετατροπέα Εξισώσεις DC μετατροπέων σταθερής κατάστασης Λόγος βραχυκύκλωσης (Short Circuit Ratio) Αποτυχία μεταγωγής ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Περιθώριο κέρδους (current margin) VOLTAGE DEPENDENT CURRENT ORDER LIMIT (VDCOL) Έλεγχος AC τάσης Ελεγκτές για ειδικές περιπτώσεις ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΤΟΥ DC METATROPEA ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (STATCOM) ΕΝΑΥΣΗ ΜΕ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (INTERPOLATED SWITCHING) ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ STATCOM ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Ταλαντωτής κλειδώματος φάσης Όταν το λαμβάνων άκρο είναι ένα παθητικό AC σύστημα Δημιουργία παλμών έναυσης Έλεγχος εναλλασσόμενης τάσης και αέργου ισχύος Έλεγχος της τάσης στην DC πλευρά STATCOM ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΠΑΛΜΩΝ STATCOM ΤΡΙΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Βελτιωμένη απόδοση αρμονικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΝΗΣΙΩΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

8 6.3. ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Δημιουργία της διάταξης συνεχούς ρεύματος Έλεγχος εναλλασσόμενης τάσης Έλεγχος αέργου ισχύος Ψυχρή εκκίνηση ΠΡΟΣΩΜΕΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΕΡΑΣΜΑΤΑ Αξιολόγηση του STATCOM και ενεργειακή αποθήκευση Σύγκριση με την τεχνολογία VSC Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ/ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ/ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) ΜΕ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ (VOLTAGE SOURCE CONVERTERS - VSC) 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ανταγωνισμός στη βιομηχανία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε συνδυασμό με τη συνεχόμενη αύξηση φορτίου απαιτούν την αποτελεσματικότερη χρησιμοποίηση του υπάρχοντος εξοπλισμού των συστημάτων μεταφοράς και μερικές φορές τη λειτουργία του κοντά στα τεχνικά του όρια. Καθώς οι υπάρχουσες γραμμές Εναλλασσόμενου Ρεύματος (ΕΡ) φορτίζονται στα όρια της μεταβατικής τους ευστάθειας με αποτέλεσμα τη μειωμένη αξιοπιστία λειτουργίας και ποιότητα ισχύος, ελλοχεύει ο κίνδυνος απώλειας της ευστάθειας του δικτύου. Μια λύση αποτελεί η κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς με μεγαλύτερη δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος. Όμως, η απόκτηση αδειών κατασκευής νέων εναέριων γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης γίνεται όλο και πιο δύσκολη. Οι εναέριες γραμμές αλλοιώνουν οπτικά το τοπίο, προκαλούν αντιδράσεις του γειτονικού σε αυτές πληθυσμού και συνήθως συναντούν πολιτικές αντιρρήσεις. Αντίθετα, η τοποθέτηση υπογείων καλωδίων αποτελεί πιο εύκολη διαδικασία από την κατασκευή εναέριων γραμμών, καθώς τα καλώδια δεν προκαλούν οπτική αλλοίωση του τοπίου και κοινωνική αντίθεση. Επίσης, τα υπόγεια καλώδια δεν κινδυνεύουν από ακραία καιρικά φαινόμενα όπως καταιγίδες και ανέμους. Όσον αφορά στα υπόγεια καλώδια ΕΡ, υπάρχουν τεχνικοί περιορισμοί οι οποίοι περιορίζουν τη χρήση τους σε μήκος μέχρι 100 km περίπου, λόγω της άεργου ισχύος που παράγουν. Επίσης, αν και το κόστος τοποθέτησης καλωδίων ΕΡ μειώνεται συνεχώς, παραμένει μεγαλύτερο από το αντίστοιχο για εναέριες γραμμές. Αντίθετα, τα καλώδια Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) δεν εμφανίζουν τεχνικό όριο στην απόσταση. Μπορούν να μεταφέρουν περίπου 50% παραπάνω ενέργεια από τα αντίστοιχα ΕΡ και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Η μεταφορά με ΣΡ χαρακτηρίζεται από χαμηλότερο κόστος καλωδίων και μικρότερες απώλειες πάνω από μια συγκεκριμένη απόσταση, αντισταθμίζοντας έτσι το υψηλό κόστος των μετατροπέων που απαιτεί. Για το λόγο αυτό η μεταφορά με ΣΡ είναι οικονομικά πιο συμφέρουσα για μεγάλες αποστάσεις. 9

10 Επιπρόσθετα, η σύνδεση με ΕΡ συνεπάγεται σύγχρονη λειτουργία των δύο άκρων που συνδέονται, συνεπώς όλα τα σφάλματα στη μία πλευρά της διασύνδεσης επηρεάζουν άμεσα την άλλη πλευρά. Για να περιοριστεί αυτό το δυναμικό φαινόμενο απαιτείται γρήγορος έλεγχος της τάσης. Αντίθετα, η μεταφορά με ΣΡ επιτρέπει την ασύγχρονη λειτουργία των δύο άκρων της διασύνδεσης, έτσι τα σφάλματα στη μια πλευρά της διασύνδεσης επηρεάζουν λιγότερο την άλλη πλευρά. Οι παραπάνω λόγοι οδήγησαν στην μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας με υψηλή τάση και ΣΡ. Η πρώτη διασύνδεση με ΣΡ πραγματοποιήθηκε το 1954 ανάμεσα στο νησί Gotland και την ηπειρωτική χώρα της Σουηδίας. Αυτός ο τύπος μεταφοράς οδήγησε σε μειωμένα επίπεδα απωλειών, καθώς και σε εξελιγμένα συστήματα ελέγχου και προστασίας. Η τεχνολογία αυτή παρουσιάζει όμως μερικές έμφυτες αδυναμίες, οι οποίες σε κάποιο βαθμό περιορίζουν τη χρήση της. Η επικρατέστερη αδυναμία είναι η απαίτηση για περιστρεφόμενες μηχανές και υψηλή ισχύ βραχυκύκλωσης στα άκρα της διασύνδεσης. Έτσι, στο παρελθόν οι συνδέσεις υψηλής τάσης με συνεχές ρεύμα χρησιμοποιήθηκαν σχεδόν αποκλειστικά για τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις ανάμεσα σε ισχυρά δίκτυα ΕΡ. Τα τελευταία χρόνια έχει εμφανισθεί μια νέα μορφή διασύνδεσης δικτύων, η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (Voltage Source Converters - VSC) [1]. Ο μετατροπέας πηγής τάσης αποτελείται από ένα απλό αντιστροφέα με θυρίστορ και μεταγωγή από την τάση του δικτύου και συνδέεται στην πλευρά του δικτύου, μαζί με ένα μη ελεγχόμενο ανορθωτή διόδων ή ένα μετατροπέα με φυσική μετάβαση στην πλευρά του στάτη (σχήμα 1.1.). Σχήμα 1.1. Μετατροπέας πηγής τάσης. Τα κύρια δομικά της στοιχεία είναι δύο VSC με διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBT) με αντιπαράλληλες διόδους και δύο καλώδια ΣΡ. Η διασύνδεση αυτή δίνει τη δυνατότητα μεταφοράς και σε μικρές 10

11 αποστάσεις, ενώ δεν απαιτεί μεγάλες στρεφόμενες μονάδες στα άκρα της διασύνδεσης. Παρέχει βελτιωμένη ποιότητα τροφοδοτούμενης ισχύος ακόμα και σε δίκτυα χαμηλής ισχύος βραχυκύκλωσης ή και σε παθητικά δίκτυα. H τεχνολογία ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC εφαρμόζεται σήμερα με επιτυχία σε διάφορες απαιτητικές περιπτώσεις διασύνδεσης δικτύων [2]. 1.2 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC Όπως προαναφέρθηκε, τα κύρια δομικά της στοιχεία μιας διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC είναι δύο μετατροπείς πηγής τάσης και δύο υπόγεια καλώδια ΣΡ που συνδέουν τους σταθμούς των μετατροπέων. Οι μετατροπείς ΕΡ/ΣΡ χρησιμοποιούν VSC με ημιαγωγούς ισχύος υψηλής διακοπτικής συχνότητας, τα διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης, γνωστά ως IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Αυτοί οι ημιαγωγοί έχουν διακοπτική συχνότητα 40 φορές μεγαλύτερη από αυτή των παραδοσιακών θυρίστορ. Η εγκατάστασή των καλωδίων είναι σχετικά εύκολη και το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω τους είναι πολύ μικρό, χάρη στη διπολική τους διάταξη. Ο τύπος αυτής της διασύνδεσης είναι βασισμένος στην κλασική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ. Οι κύριες διαφορές τους συνοψίζονται στον Πίνακα 1.Α.. Πίνακας 1.Α.:Σύγκριση κλασικής διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ και διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC. 11

12 Η τεχνολογία των Μετατροπέων Πηγής Ρεύματος (Current Source Converters - CSC) που χρησιμοποιούνται στις κλασσικές διασυνδέσεις ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ τείνει να αντικατασταθεί από την τεχνολογία των VSC. Η βασική τους διαφορά έγκειται στο ότι οι VSC περιέχουν ημιαγωγικά στοιχεία υψηλής διακοπτικής συχνότητας, τα οποία μπορούν να ανάψουν και να σβήσουν πολλές φορές μέσα σε μια περίοδο. Αντίθετα, τα ημιαγωγικά στοιχεία των CSC μπορούν να σβήσουν μόνο όταν μηδενιστεί το ρεύμα που περνά μέσα από αυτά. Το γεγονός ότι στους CSC τα διακοπτικά στοιχεία είναι χαμηλής διακοπτικής συχνότητας, αυξάνει την έγχυση αρμονικών στο ηλεκτρικό δίκτυο. Για να μειωθούν οι παραγόμενες αρμονικές, οι μετατροπείς πρέπει να διαιρεθούν σε αρκετούς μικρότερους που λειτουργούν με μετατόπιση φάσης. Σε αυτή την περίπτωση απαιτούνται σχετικά σύνθετοι μετασχηματιστές για τη σύνδεση των μετατροπέων. Στους VSC, επειδή χρησιμοποιούνται στοιχεία υψηλότερης διακοπτικής συχνότητας, μπορεί να εφαρμοσθεί η μέθοδος της Διαμόρφωσης Πλάτους Παλμών (Pulse Width Modulation, PWM). Σε αυτή την περίπτωση απαιτείται μόνο ένας μετατροπέας, καθώς η τάση ΕΡ προκύπτει αναβοσβήνοντας τους ημιαγωγούς πολλές φορές μέσα σε μια περίοδο. Για να αποκτηθεί η βασική αρμονική της επιθυμητής τάσης είναι απαραίτητο το φιλτράρισμα μόνο των υψηλών συχνοτήτων. Έτσι αποφεύγονται τα μεγάλα φίλτρα. Επίσης δεν είναι απαραίτητη η χρήση μετασχηματιστή και στην περίπτωση που αυτός χρησιμοποιηθεί αρκεί μια απλή διάταξή του. Με τη μέθοδο της διαμόρφωσης πλάτους παλμών είναι δυνατόν να επιτευχθεί οποιαδήποτε φάση και πλάτος της παραγόμενης τάσης (ανάμεσα σε ορισμένα όρια) αλλάζοντας τα σήματα ελέγχου της μεθόδου, το οποίο μπορεί να γίνει σχεδόν στιγμιαία. Έτσι, επιτρέπεται ο ανεξάρτητος έλεγχος της πραγματικής από την άεργο ισχύ. Από την άποψη του συστήματος, ένας VSC που παλμοδοτείται με τη μέθοδο της διαμόρφωσης πλάτους παλμών συμπεριφέρεται ως μια σύγχρονη μηχανή χωρίς αδράνεια που έχει την ικανότητα να ελέγχει την πραγματική και την άεργο ισχύ σχεδόν στιγμιαία. Έτσι η τεχνολογία των VSC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει παθητικά δίκτυα, δηλαδή περιοχές στις οποίες δεν υπάρχει παραγωγή ή περιοχές με χαμηλή ισχύ βραχυκύκλωσης [3]. Επίσης, χάρη στη δυνατότητα ελέγχου του εναλλασσόμενου ρεύματος ο μετατροπέας δεν συνεισφέρει στο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Συνοψίζοντας, οι κύριες διαφορές στη λειτουργία των δύο τύπων διασυνδέσεων είναι οι ακόλουθες: Η κλασική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ χρησιμοποιείται αποκλειστικά για μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Απαιτεί γρήγορα τηλεπικοινωνιακά κανάλια ανάμεσα στους δύο σταθμούς και μεγάλες στρεφόμενες μονάδες και στα δύο δίκτυα ΕΡ. Αντίθετα, η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μικρές αποστάσεις και μικρές ποσότητες ισχύος, ενώ δεν απαιτεί μεγάλες στρεφόμενες μονάδες στα άκρα της διασύνδεσης. Η ανταλλαγή πραγματικής και άεργου ισχύος ανάμεσα στα δύο άκρα της διασύνδεσης μπορεί να 12

13 ελεγχθεί ανεξάρτητα η μια από την άλλη. Έτσι, παρέχει βελτιωμένη ποιότητα τροφοδοτούμενης ισχύος ακόμα και σε δίκτυα χαμηλής ισχύος βραχυκύκλωσης ή ακόμα και σε παθητικά δίκτυα [4]. Με τη χρησιμοποίηση των VSC προσφέρεται και η δυνατότητα της απομονωμένης λειτουργίας (island operation). Έτσι η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC προσφέρει περισσότερη ευελιξία στην υποστήριξη του κύριου ηλεκτρικού συστήματος Μαγνητικά πεδία από τα καλώδια ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των καλωδίων της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC είναι ότι τα μαγνητικά πεδία που αναπτύσσονται γύρω τους σχεδόν ελαχιστοποιούνται χάρη στη διπολική διάταξη του καλωδίου [5]. Μια διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ένα κλασσικό μονοπολικό καλώδιο και ρεύμα 1000 Α προκαλεί μαγνητικό πεδίο 20 μtesla σε μια απόσταση 10 m. Με τα καλώδια της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ, το μαγνητικό πεδίο περιορίζεται σε λιγότερο από 0.2 μtesla, Σχήμα Σχήμα 1.2.: Μαγνητικό Πεδίο από διπολικό καλώδιο 300 ΜW διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC. 13

14 1.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC Μια τυπική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC φαίνεται στο Σχήμα Αποτελείται από δύο σταθμούς ΜΠΤ και μια γραμμή ΣΡ. Η γραμμή μπορεί να είναι εναέρια γραμμή ή καλώδιο. Καθένας από τους σταθμούς των VSC απαρτίζεται από έναν ΜΠΤ, έναν πυκνωτή ΣΡ, μια επαγωγή διεπαφής και φίλτρα ΕΡ. Η γέφυρα των VSC είναι εξαπαλμική δύο επιπέδων, με εν σειρά συνδεδεμένα διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) σε κάθε βαλβίδα, Σχ. 1.4(α). Αντιπαράλληλα σε κάθε IGBT συνδέεται μια δίοδος ελευθέρας διέλευσης, Σχ. 1.4(β). Ο ρόλος του πυκνωτή ΣΡ είναι να παρέχει μια δίοδο χαμηλής εμπέδησης για το ρεύμα σβέσης καθώς και μια αποθήκη ενέργειας, ώστε να μπορεί να ελέγχει τη ροή ισχύος. Επιπλέον μειώνει τις αρμονικές στην πλευρά ΣΡ. Ο Μ/Τ στην πλευρά του κάθε μετατροπέα περιορίζει τις αρμονικές των ρευμάτων και ένα υψιπερατό φίλτρο μειώνει το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης στο ζυγό ΕΡ. Σχήμα 1.3.: Τυπική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC. Σχήμα 1.4.: (α) Γέφυρα ενός VSC. (β) Δομή μιας βαλβίδας ενός VSC. 14

15 Οι VSC χρησιμοποιούν για την παλμοδότηση των ημιαγωγών τους την ημιτονοειδή μέθοδο Διαμόρφωσης Πλάτους Παλμών (PWM), έτσι το πλάτος και η γωνία της ΕΡ τάσης εξόδου του κάθε VSC μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Το γεγονός αυτό προσφέρει τη δυνατότητα του ανεξάρτητου έλεγχου της πραγματικής από την άεργο ισχύ. Οι αρχές λειτουργίας του συστήματος ελέγχου των VSC αναφέρονται αναλυτικότερα στην παράγραφο 1.5. Οι διακοπτικές συχνότητες της μεθόδου PWM για τους VSC ποικίλουν από 1 μέχρι 2 khz ανάλογα με την τοπολογία του μετατροπέα, τη συχνότητα του συστήματος και την ιδιαιτερότητα της εφαρμογής. Τα φίλτρα ΕΡ ρυθμίζονται σε συχνότητες πολλαπλάσιες της διακοπτικής συχνότητας. Στην παλμοδότηση των IGBT χρησιμοποιούνται οπτικές ίνες για τη μεταφορά των απαραίτητων σημάτων. Μια ειδική μονάδα παλμοδότησης κι ένας διαιρέτης τάσης σε κάθε IGBT επιτυγχάνουν την κατανομή της τάσης στα εν σειρά συνδεδεμένα IGBTs. Κάθε IGBT ελέγχεται ξεχωριστά και παρακολουθείται μέσω οπτικών ινών. Οι βαλβίδες ψύχονται με απιονισμένο νερό. Κάθε σταθμός VSC τοποθετείται σε προστατευτικά στέγαστρα, ώστε να παρέχεται θωράκιση από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Σχήμα 1.5.: Ισομετρική όψη ενός τερματικού σταθμού ενός συστήματος διασύνδεσης VSC [6]. 15

16 Στην επόμενη παράγραφο θα παρουσιασθεί η μέθοδος PWM που χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση των ημιαγωγών των VSC, ενώ στην παράγραφο 1.5 θα γίνει περιγραφή των αρχών λειτουργίας των VSC. 1.4 ΜΕΘΟΔΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΛΑΤΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ (PWM) Όπως είναι γνωστό, κατά την κλασσική παλμοδότηση των μετατροπέων λαμβάνει χώρα μία έναυση και μία σβέση σε κάθε βαλβίδα στη διάρκεια ενός κύκλου. Σε αυτήν την περίπτωση η εναλλασσόμενη τάση εξόδου μπορεί να ελεγχθεί είτε μέσω του πλάτους των τετραγωνικών παλμών της τάσης εξόδου είτε μέσω του πλάτους της συνεχούς τάσης. Αντίθετα, η μέθοδος PWM χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι όταν αυτή χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση διακοπτικών στοιχείων, πραγματοποιούνται περισσότερες από μία εναύσεις και σβέσεις ανά διακοπτικό στοιχείο στη διάρκεια ενός κύκλου. Μέσω των ελεγχόμενων εναύσεων και σβέσεων των διακοπτικών στοιχείων είναι δυνατός ο έλεγχος του εύρους των παλμών της τάσης στην έξοδο του ανορθωτή. Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους επιλέγεται η μέθοδος PWM είναι ο έλεγχος της τάσης εξόδου και η μείωση των αρμονικών χαμηλής τάξης. Παρακάτω περιγράφεται συνοπτικά η λειτουργία της. Έστω η μία φάση του VSC του Σχ. 1.4.(α), η οποία εμφανίζεται στο Σχ Για την παλμοδότηση των διακοπτικών στοιχείων κάθε φάσης, όπως φαίνεται και στο Σχ (α), συγκρίνονται δύο είδη σημάτων ελέγχου: μια ημιτονοειδής για κάθε φάση, συχνότητας ίσης με την ονομαστική και μια πριονωτή κυματομορφή με συχνότητα k φορές τη συχνότητα της ημιτονοειδούς. Το k, το οποίο ονομάζεται πολλαπλασιαστής συχνότητας, πρέπει να είναι πολλαπλάσιο του 3, ώστε να αποφευχθούν οι άρτιες αρμονικές καθώς και κάποιες αρμονικές περιττής τάξης. Στο Σχ ισχύει k=9. Τα ημιτονοειδή σήματα εισόδου για κάθε φάση έχουν φασική μετατόπιση 120 ο μεταξύ τους. Οι παλμοί έναυσης και σβέσης των θυρίστορ μιας φάσης αντιστοιχούν στα σημεία τομής της πριονωτής με την ημιτονοειδή κυματομορφή της αντίστοιχης φάσης. Η τομή του τμήματος της πριονωτής κυματομορφής το οποίο έχει αρνητική κλίση, με την ημιτονοειδή, οδηγεί σε έναν παλμό έναυσης στο διακοπτικό στοιχείο 1 και σε παλμό σβέσης στο διακοπτικό στοιχείο 4. Αντίστοιχα, η τομή του τμήματος της πριονωτής κυματομορφής το οποίο έχει θετική κλήση, με την ημιτονοειδή, οδηγεί σε έναν παλμό έναυσης στο διακοπτικό στοιχείο 4 και σε παλμό σβέσης στο διακοπτικό στοιχείο 1. 16

17 Σχήμα 1.6.: Μία φάση του VSC. Σχήμα 1.7.: Περιγραφή της λειτουργίας της μεθόδου PWM με συχνότητα παλμοδότησης ίση με 9 φορές τη θεμελιώδη. 17

18 Η τάση του σημείου a ως προς το σημείο Ν (Σχ. 1.6.) στο μέσο των πυκνωτών στην πλευρά συνεχούς, φαίνεται στο Σχ. 1.7.(b). Παρακάτω αναφέρονται κάποιες παρατηρήσεις ως προς την προκύπτουσα κυματομορφή της τάσης [7]: Η κυματομορφή της τάσης εξόδου αναλύεται στη βασική και στις ανώτερες αρμονικές. Οι παλμοί της τάσης εξόδου εμφανίζουν συμμετρία ως προς το σημείο μηδενισμού του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς, για το λόγο ότι η συχνότητα της πριονωτής κυματομορφής είναι περιττό πολλαπλάσιο της ονομαστικής συχνότητας. Οποιοδήποτε άρτιο πολλαπλάσιο θα προκαλούσε ασυμμετρία ως προς το σημείο μηδενισμού του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς, το οποίο συνεπάγεται εμφάνιση και άρτιων αρμονικών στην τάση εξόδου. Τα μη ακέραια πολλαπλάσια είναι ακόμα χειρότερα, καθώς δημιουργούν επιπλέον αρμονικές με συχνότητα πολλαπλάσια ή υποπολλαπλάσια της θεμελιώδους. Όταν η συχνότητα της πριονωτής κυματομορφής είναι υψηλή, πάνω από μερικά khz, η παραπάνω ασυμμετρία δεν είναι τόσο σημαντική, αλλά σε χαμηλές συχνότητες ο συγχρονισμός των σημάτων ελέγχου είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Όταν βρισκόμαστε στο θετικό ημικύκλιο με σταθερή πριονωτή κυματομορφή, η αύξηση του πλάτους του ημιτονοειδούς σήματος αυξάνει το χρόνο αγωγής του διακοπτικού στοιχείου 1 και μειώνει αυτόν του διακοπτικού στοιχείου 4. Το αντίθετο συμβαίνει στο αρνητικό ημικύκλιο. Αυτό σημαίνει ότι το μέτρο της βασικής αρμονικής της τάσης VaN και άρα η εναλλασσόμενη πολική τάση εξόδου αυξάνεται με αύξηση του πλάτους του ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου και μειώνεται με μείωση του πλάτους του ίδιου σήματος ελέγχου. Η εξάρτηση είναι γραμμική για πλάτος του ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου μικρότερο από το πλάτος της πριονωτής κυματομορφής. Αν γίνει μεγαλύτερο, η εξάρτηση γίνεται μη γραμμική. Συνεπώς, μπορούμε να ελέγξουμε το μέτρο της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου μέσω της κατάλληλης μεταβολής του πλάτους του ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου. 18

19 1.5 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΡΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΜΠΤ Στο Σχήμα 1.8. φαίνεται το μονογραμμικό διάγραμμα του ενός άκρου της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ: Σχήμα 1.8.: Το ένα άκρο της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των ΜΠΤ από το οποίο προέκυψε και η ονομασία τους είναι ότι η πολικότητα της τάσης στην πλευρά ΣΡ παραμένει σταθερή. Έτσι, η φορά της πραγματικής ισχύος αντιστρέφεται αλλάζοντας τη φορά του ρεύματος ΣΡ. Αν αμελήσουμε την αντίσταση ανάμεσα στην έξοδο του ΜΠΤ και το ζυγό του δικτύου ΕΡ, ισχύουν οι παρακάτω εξισώσεις για την πραγματική και την άεργο ισχύ [8]: (1.1) όπου (1.2) η πρώτη αρμονική της τάσης στο άκρο της επαγωγής διεπαφής από την πλευρά του δικτύου ΕΡ η πρώτη αρμονική της παραγόμενης από το ΜΠΤ τάσης στο άκρο της επαγωγής διεπαφής από την πλευρά των βαλβίδων η συνολική επαγωγή ανάμεσα στα δύο άκρα. Όπως φαίνεται από την εξίσωση (1.1), η πραγματική ισχύς καθορίζεται κυρίως από τη φασική γωνία δ ανάμεσα στις τερματικές τάσεις και. Αντίστοιχα, σύμφωνα με τη σχέση (1.2), η άεργος ισχύς στο ΜΠΤ καθορίζεται κυρίως από το μέγεθος του πλάτους V της παραγόμενης από το μετατροπέα τάσης, σε σχέση με τη. Έτσι, η κύρια λειτουργία του συστήματος ελέγχου των ΜΠΤ, η οποία 19

20 είναι κοινή σε όλες τις τοπολογίες των ΜΠΤ, είναι ο έλεγχος της γωνίας και του πλάτους της παραγόμενης από τον ΜΠΤ τάσης,. Ο έλεγχος του πλάτους V της επιτυγχάνεται μέσω ενός σήματος γνωστού ως «συντελεστής διαμόρφωσης», m. Ο συντελεστής διαμόρφωσης, ο οποίος παίρνει τιμές στο διάστημα [0,1], διαμορφώνει το πλάτος του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς της μεθόδου PWM που αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Έτσι, αν το πλάτος της είναι μεγάλο (το οποίο επιτυγχάνεται επιλέγοντας συντελεστή διαμόρφωσης σχεδόν ίσο ή ίσο με τη μονάδα) και μεγαλύτερο από την τάση στην άλλη πλευρά της επαγωγής διεπαφής,, η άεργος ισχύς θα κατευθύνεται από τον ΜΠΤ προς το δίκτυο ΕΡ. Αντίθετα, ο ΜΠΤ θα απορροφά άεργο ισχύ. Ο έλεγχος της φασικής γωνίας της πραγματοποιείται μετατοπίζοντας τη φασική γωνία του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς της μεθόδου PWM. Έτσι, προκαλείται μια αντίστοιχη μετατόπιση στη φασική γωνία της και άρα μια μεταβολή της φασικής διαφοράς δ ανάμεσα στις τερματικές τάσεις και, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της πραγματικής ισχύος που ρέει από το ένα άκρο της επαγωγής διεπαφής στο άλλο. 1.6 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC Μία τυπική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις ακόλουθες εφαρμογές: 1. Σύνδεση Αιολικών Πάρκων (ΑΠ) στο δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος. 2. Τροφοδότηση απομακρυσμένων φορτίων. 3. Πολυτερματικά δίκτυα ΣΡ. 4. Τροφοδότηση κέντρων πόλεων Σύνδεση ΑΠ στο κεντρικό δίκτυο εναλλασσομένου ρεύματος. Η σύνδεση ενός ΑΠ σε ένα δίκτυο ΕΡ με μια διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC παρουσιάζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Σύνδεση σε δίκτυο ΕΡ με μικρό λόγο ισχύος βραχυκύκλωσης. Πολλά απομακρυσμένα αιολικά πάρκα συχνά πρέπει να συνδεθούν σε ασθενή δίκτυα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το μέγεθος του αιολικού πάρκου συχνά 20

21 περιορίζεται από τον λόγο βραχυκύκλωσης. Μια σύνδεση αιολικού πάρκου απευθείας στο δίκτυο ΕΡ απαιτεί έναν ελάχιστο λόγο βραχυκύκλωσης, περίπου 10 για αποδεκτή απόδοση. Με μια διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC ο λόγος βραχυκύκλωσης μπορεί να είναι πολύ μικρότερος. Δυναμική Αντιστάθμιση αέργου ισχύος για τις επαγωγικές ανεμογεννήτριες του ΑΠ. Η άεργος ισχύς που καταναλώνεται από επαγωγικές ανεμογεννήτριες (ΑΓ) εν κενώ, αντισταθμίζεται από εγκάρσιους πυκνωτές που είναι συνδεδεμένοι στους ακροδέκτες των γεννητριών. Όταν οι γεννήτριες παρέχουν πραγματική ισχύ, η ανάγκη τους για άεργο ισχύ ποικίλει ανάλογα με την ισχύ που παράγουν. Για να αντισταθμιστεί αυτή η άεργος ισχύς, απαιτείται δυναμική αντιστάθμιση, η οποία παρέχεται από τους VSC που συνδέονται στο ζυγό του ΑΠ ανεξάρτητα από την πραγματική ισχύ που λαμβάνουν. Έλεγχος Γωνιακής Ταχύτητας. Η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC μπορεί να ρυθμίσει τις στροφές των επαγωγικών ΑΓ ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, εξασφαλίζοντας μέγιστη απομάστευση ενέργειας από τον άνεμο. Καλή δυναμική απόκριση στην περίπτωση βραχυκυκλωμάτων. Εάν το βραχυκύκλωμα λαμβάνει χώρα μέσα στο ΑΠ, το σύστημα προστασίας του αναλαμβάνει την εκκαθάριση του σφάλματος. Όταν όμως το σφάλμα συμβαίνει εκτός του ΑΠ, ενεργοποιείται το σύστημα διάγνωσης σφαλμάτων του σταθμού του VSC. Ο VSC που συνδέεται στο ζυγό του ΑΠ δεν μπορεί προφανώς να τροφοδοτήσει το δίκτυο εναλλασσομένου ρεύματος με πραγματική ισχύ, αλλά συνεχίζει να τροφοδοτεί το ΑΠ με την άεργο που χρειάζεται για να διατηρηθεί η εναλλασσόμενη τάση στην πλευρά του σταθερή. Η παραγόμενη ισχύς στο ΑΠ δεν μεταφέρεται στο δίκτυο αλλά αποθηκεύεται σ αυτό προσωρινά αυξάνοντας την ταχύτητα του δρομέα των μηχανών. Μετά την εκκαθάριση του σφάλματος, ενεργοποιείται και πάλι ο έλεγχος γωνιακής ταχύτητας και η επιπλέον ενέργεια του ΑΠ παρέχεται στο δίκτυο. Φυσικά, ο έλεγχος επιτρέπει στη γωνιακή ταχύτητα να αυξηθεί μέχρι ένα συγκεκριμένο όριο. Εάν μέχρις ότου εκκαθαριστεί το σφάλμα η γωνιακή ταχύτητα του ΑΠ φτάσει αυτό το όριο, το ΑΠ αποσυνδέεται. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, η γωνιακή ταχύτητα δε φτάνει αυτό το επίπεδο και έτσι αποφεύγεται η αποσύνδεση του ΑΠ. 21

22 Ευελιξία. Η ανταλλαγή ισχύος ανάμεσα στο ΑΠ και στο δίκτυο μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια. Οποιαδήποτε αλλαγή στην ισχύ του ανέμου εντοπίζεται άμεσα από το σύστημα ελέγχου και επιτυγχάνεται γρήγορα το ισοζύγιο ισχύος ανάμεσα στα δύο άκρα. Εκκίνηση του ΑΠ όταν αυτό τροφοδοτεί ένα παθητικό δίκτυο. Η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC προσφέρει τη δυνατότητα στις επαγωγικές γεννήτριες του ΑΠ να εκκινήσουν και να τροφοδοτήσουν ένα παθητικό δίκτυο [9], [10]. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός μέσου αποθήκευσης ενέργειας, όπως είναι η αποθήκευση μαγνητικής ενέργειας σε υπεραγωγούς, στην πλευρά ΣΡ της διασύνδεσης Τροφοδότηση απομακρυσμένων φορτίων. Μικρά απομακρυσμένα φορτία, όπως νησιά και μικρές κοινότητες, συχνά καταφεύγουν σε ακριβούς τοπικούς σταθμούς με ντίζελογεννήτριες για την κάλυψη των ενεργειακών τους αναγκών. Η απόσταση καθιστά τεχνικά και οικονομικά μη εφικτή τη σύνδεση της περιοχής στο κεντρικό δίκτυο με τον κλασσικό τρόπο μεταφοράς ΕΡ. Με την διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC πολλά απ αυτά τα φορτία μπορούν να συνδεθούν στο κεντρικό δίκτυο αποκτώντας πρόσβαση σε φθηνότερη ηλεκτρική ενέργεια. Τα συστήματα HVDC αποτελούν μια ενδιαφέρουσα λύση συναρτήσει της μεταφερόμενης ενέργειας και της απόστασης μεταφοράς. Επίσης, άλλες πτυχές όπως ένας μειωμένος αντίκτυπος στο περιβάλλον και η δυνατότητα για επενδύσεις ξεκινώντας τη διεργασία με μια απλή διαμόρφωση (π.χ. ένας αγωγός με την επίγεια επιστροφή) μπορεί να συμβάλει στην αύξηση του ενδιαφέροντος για αυτήν την τεχνολογία στο κοντινό μέλλον Πολυτερματικά δίκτυα ΣΡ. Ένα χαρακτηριστικό των VSC είναι ότι η πολικότητα της τάσης δεν αλλάζει όταν αλλάζει η ροή ισχύος. Αντίθετα αλλάζει η φορά του ρεύματος. Αυτό καθιστά εύκολη τη χρήση ενός VSC σαν ένα δομικό στοιχείο σε ένα πολυτερματικό σύστημα. Οποιοσδήποτε αριθμός VSC μπορεί να συνδεθεί σε ένα ζυγό ΣΡ με καθορισμένη πολικότητα τάσης ΣΡ. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να κατασκευασθεί ένα περίπλοκο σύστημα ΣΡ με τοπολογία όμοια με αυτή ενός συστήματος ΕΡ. 22

23 1.6.4 Τροφοδότηση κέντρων πόλεων. Η αύξηση της ικανότητας μεταφοράς προσθέτοντας γραμμές ΕΡ μέσα σε κέντρα πόλεων έχει υψηλό κόστος και οι άδειες για νέες γραμμές αποκτούνται όλο και πιο δύσκολα. Ένα καλώδιο ΣΡ όχι μόνο χρειάζεται λιγότερο χώρο από μια γραμμή ΕΡ, αλλά μπορεί και να μεταφέρει περισσότερη ισχύ από ένα καλώδιο ΕΡ, αποτελώντας έτσι μια πρακτική λύση για κέντρα πόλεων που χρειάζονται περισσότερη ισχύ [11], [12]. 1.7 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ ΜΕ VSC ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Η τεχνολογία της μεταφοράς ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC έχει αρκετές σημαντικές εφαρμογές παγκοσμίως [13], [14], [15]. Ο Πίνακας 1.Β. δίνει πληροφορίες για κάποια συστήματα μεταφοράς σε λειτουργία, τα οποία βασίζονται στη διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC. Πίνακας 1.Β.: Συστήματα μεταφοράς ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC σε λειτουργία 23

24 Πίνακας 1.Β.: Συστήματα μεταφοράς ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με VSC σε λειτουργία (συνέχεια). 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΕΡΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνολογία των FACTS δεν αποτελείται από μία μόνο συσκευή ελέγχου ισχύος, αλλά είναι μια σειρά διατάξεων και συσκευών ελέγχου, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεμονωμένα, ή συλλογικά κατά συστηματικό τρόπο, για τον έλεγχο των αλληλεπιδρουσών παραμέτρων των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Στον ακόλουθο Πίνακα 2.Α. αναγράφονται οι κύριες διατάξεις FACTS και οι αντίστοιχες λειτουργίες τους [15]. Όπως φαίνεται στον πίνακα αυτό, υπάρχουν επικαλύψεις στην επίδραση των διατάξεων αυτών και πρέπει σε κάθε περίπτωση να γίνεται η καταλληλότερη επιλογή. Οι διάφορες συσκευές FACTS μπορεί να διαχωριστούν με κριτήριο τον τρόπο σύνδεσής τους στο δίκτυο μεταφοράς. Έτσι έχουμε τους εξής τύπους: εγκάρσιες (όπως ο SVC και ο STATCON) που περιέχουν κύρια έλεγχο της τάσης και της αέργου ισχύος, σειράς (όπως ο TCSC και ο ACSC), που παρέχουν κύρια έλεγχο της ενεργού και μερικώς της αέργου ισχύος, συνδυασμός των παραπάνω (όπως ο TCPAR και ο UPFC). Στο Σχήμα 2.1. παρουσιάζονται σχηματικά οι ρυθμιστικές ικανότητες (α) ενός ρυθμιστή τάσης, (β) μιας ελεγχόμενης χωρητικής αντιστάθμισης σειράς, (γ) ενός ρυθμιστή φάσης και (δ) μιας ενοποιημένης διάταξης ελέγχου ισχύος. Η πρώτη γενιά ρυθμιστών περιλαμβάνει δυο διατάξεις ρυθμιστών με θυρίστορ, το στατικό αντισταθμιστή VAR και τη διάταξη απόσβεσης υποσύγχρονων ταλαντώσεων, τα οποία χρησιμοποιούνται ήδη αρκετά χρόνια. Στα FACTS αναφέρεται επίσης και ο Υπεραγώγιμος Μαγνητικός Συσσωρευτής Ενέργειας (Super conducting Magnetic Energy Storage - SMES), ο οποίος δεν περιλαμβάνεται στον πίνακα 2.Α.. Σήμερα πολλοί ρυθμιστές χρησιμοποιούνται σαν ευέλικτα συστήματα μεταφοράς, και μερικοί βρίσκονται ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης, ενώ σε πολλές συσκευές χρησιμοποιούνται πλέον θυρίστορ με ελεγχόμενη σβέση (GTO) και η λειτουργία τους υλοποιείται με χρησιμοποίηση πολυπαλμικών αντιστροφέων πηγής τάσης (Voltage source Inverters - VSI). Έτσι, ένας άλλος διαχωρισμός των FACTS είναι με κριτήριο αν περιλαμβάνουν συμβατικά θυρίστορ ή 25

26 θυρίστορ GTO, όπως φαίνεται στο Σχήμα Τα πλεονεκτήματα των συσκευών FACTS με GTO θυρίστορ είναι τα ακόλουθα: μικρότερες διαστάσεις, περιορισμός παθητικών στοιχείων, καλύτερη λειτουργική συμπεριφορά. Πίνακας 2.Α.: Οι κυριότερες διατάξεις FACTS. 26

27 Σχήμα 2.1.: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας των FACTS. Σχήμα 2.2.: Διαχωρισμός συσκευών FACTS ανάλογα με την τεχνολογία θυρίστορ. 27

28 2.2. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΕΥΕΛΙΚΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΣΕ ΜΙΑ HVDC ΣΥΝΔΕΣΗ Κατά τη διάρκεια των προηγούμενων σαράντα ετών, η μετάδοση HVDC έχει αναπτυχθεί ευρέως. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για αυτήν την τεχνολογία προέρχεται από τις συνεχείς βελτιώσεις στην τεχνολογία των θυρίστορ καθώς επίσης και από μερικά συγκεκριμένα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των συστημάτων HVDC [16]. Οι σύγχρονοι μετατροπείς HVDC είναι σε θέση να λειτουργήσουν ικανοποιητικά ακόμα και όταν συνδέονται με ασθενή συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (weak ac systems). Εντούτοις, η τροφοδοσία ενός ολόκληρου συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω μιας σύνδεσης HVDC εμπεριέχει πολλά προβλήματα. Μέχρι τώρα, όλα τα σχέδια HVDC έχουν βασιστεί στην ύπαρξη τουλάχιστον μερικών σύγχρονων μηχανών στο λαμβάνων σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτό σημαίνει ότι το λαμβάνον σύστημα πρέπει να παρουσιάζει ένα κατώτατο επίπεδο βραχυκυκλώματος (short-circuit level) και να είναι σε θέση να διατηρήσει ένα αποδεκτό επίπεδο τάσεων (δηλ. έχει μια ελάχιστη μηχανική αδράνεια) για να εξασφαλιστεί η κατάλληλη λειτουργία του μετατροπέα HVDC. Εάν αυτό δεν ισχύει, σύγχρονοι πυκνωτές (synchronous condensers) πρέπει να εγκατασταθούν για να ενισχύσουν το λαμβάνον σύστημα. Λόγω των υψηλών δαπανών εγκατάστασης και συντήρησης, οι σύγχρονοι πυκνωτές αντιπροσωπεύουν μια ακριβή λύση. Επομένως, η μελέτη για την ανεύρεση οποιασδήποτε εναλλακτικής λύσης που συνδέει χαμηλότερο κόστος και βελτιωμένη απόδοση θα ήταν ευπρόσδεκτη. Απ την άλλη πλευρά, οι δραματικές εξελίξεις που επιτυγχάνονται στην τεχνολογία των συσκευών ημιαγωγικών διατάξεων με δυνατότητα ελεγχόμενης σβέσης ανανέωσαν το ενδιαφέρον προς τους μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (Self-Commutated Converters) για τις εφαρμογές χρησιμότητας. Μεταξύ των διάφορων πιθανών εφαρμογών, ο έλεγχος της τάσης και αέργου ισχύος φαίνονται να είναι οι πιο ελπιδοφόρες εφαρμογές στο κοντινό μέλλον. Λόγω μερικών ιδιαίτερων χαρακτηριστικών γνωρισμάτων, δηλαδή το μικρότερο μέγεθος, την ταχύτερη απόκριση και τη σχεδόν χωρίς συντήρησης λειτουργία, οι static VAR conmpensators βασισμένοι σε μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής αντιπροσωπεύουν μια ενδιαφέρουσα τεχνική και οικονομική λύση για να αντικαταστήσουν τους σύγχρονους πυκνωτές (synchronous condensers) που σχετίζονται με τους μετατροπείς HVDC [17]. 28

29 2.3. ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΕΝΟΣ ΠΑΘΗΤΙΚΟΥ AC ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΣΩ ΜΙΑΣ HVDC ΣΥΝΔΕΣΗΣ Το κύριο πρόβλημα σχετικά με την τροφοδοσία ενός παθητικού ac δικτύου μέσω μιας σύνδεσης HVDC είναι η φύση των μετατροπέων. Η παρούσα τεχνολογία μετατροπέων HVDC είναι βασισμένη σε συμβατικά θυρίστορς, έτσι οι μετατροπείς είναι τύπου φυσικής μεταγωγής (Line-Commutated ή Naturally-Commutated). Αυτό σημαίνει ότι στηρίζονται στο ac σύστημα να παρέχει επαρκή τάση για να επιτύχουν τη διαδικασία μεταγωγής και έτσι να λειτουργήσουν κατάλληλα. Απ την άλλη πλευρά, HVDC συστήματα βασισμένα σε μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (Force-Commutated ή Self-Commutated) είναι ανεξάρτητα από το ac σύστημα και θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια ιδανική λύση στην τροφοδοσία των παθητικών δικτύων. Μέχρι τώρα, στα πλαίσια της ισχύος που απαιτήθηκε για τη HVDC μετάδοση κανένας τέτοιος μετατροπέας δεν έχει χρησιμοποιηθεί. Η ανάγκη για την προσθήκη εξωτερικών κυκλωματικών στοιχείων για να φτιάξουμε μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής που χρησιμοποιούν συμβατικά θυρίστορς είχε γίνει ήδη επιτακτική πολλά χρόνια πριν. Εντούτοις, λόγω του πιθανού υψηλού κόστους και της πολυπλοκότητας που σχετίζεται με τις προτεινόμενες διαμορφώσεις, εκείνοι οι μετατροπείς δεν βρήκαν ποτέ αποδοχή για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Σήμερα παρόλα αυτά, έχουν διατεθεί θυρίστορς με ελεγχόμενη σβέση (GTO) σε μεγάλα μεγέθη, αυξάνοντας το ενδιαφέρον για εξαναγκασμένης μεταγωγής μετατροπείς για εφαρμογές υψηλής τάσεως και υψηλής ισχύος. Εν τούτοις, μερικά δυσεπίλυτα οικονομικά και τεχνικά προβλήματα (π.χ. κόστος για το σχεδιασμό και την προστασία βαλβίδων) μαζί με μερικά οικονομικά μειονεκτήματα (π.χ. υψηλότερες απώλειες) απομακρύνουν το ενδιαφέρον για εκείνους τους μετατροπείς για τη μετάδοση HVDC στο κοντινό μέλλον [18]. Επομένως δεν υπάρχει ακόμα οποιοδήποτε υποκατάστατο για τον γνωστό σε όλους μας μετατροπέα φυσικής μεταγωγής. Αν και έχει αποδειχθεί ότι οι μετατροπείς φυσικής μεταγωγής μπορούν να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία της αντιστροφής στα παθητικά συστήματα, δεν είναι σε θέση να διασφαλίσουν την τροφοδοσία ενός παθητικού δικτύου μόνοι τους [19]. Συνεπώς, για να είναι δυνατή η τροφοδοσία ενός εξ ολοκλήρου παθητικού δικτύου από ένα μετατροπέα φυσικής μεταγωγής, πρόσθετος εξοπλισμός πρέπει να εγκατασταθεί μαζί με το μετατροπέα. Τρεις λύσεις μπορούν να θεωρηθούν ως πιθανές, δηλαδή: 1. σύγχρονοι πυκνωτές (synchronous condensers) 2. στατικοί VAR αντισταθμιστές (static VAR compensators) 3. στατικοί VAR αντισταθμιστές βασισμένοι στην GTO τεχνολογία (GTO-based static VAR compensators). 29

30 Τα πρώτα δύο αντιπροσωπεύουν προς το παρόν τις διαθέσιμες τεχνολογίες, ενώ για το τρίτο μόνο πρόσφατα έχει εξεταστεί αν είναι εφικτό να χρησιμοποιηθεί. Όπως παρουσιάζεται κατωτέρω, οι σύγχρονοι πυκνωτές είναι μια προφανώς καλή επιλογή, ενώ η επιλογή των στατικών VAR αντισταθμιστών πρόκειται να απορριφθεί. Αφ' ενός, οι GTO-based static VAR compensators είναι μια πρόσφατα αναδυόμενη λύση, που παρουσιάζει μερικά πρόσθετα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που μπορούν να τους κάνουν μια αρκετά ελκυστική λύση στο κοντινό μέλλον Χρήση σύγχρονων πυκνωτών (synchronous condensers) Τα πλεονεκτήματα που συνδέονται με την εγκατάσταση των σύγχρονων πυκνωτών είναι πολλαπλά. Εκτός από το να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των HVDC μετατροπέων σε άεργο ισχύ, συμβάλλουν αποτελεσματικά στο επίπεδο βραχυκυκλώματος και στην σταθεροποίηση της τάσης. Επιπλέον, η κινητική τους ενέργεια βοηθάει να διατηρηθεί η συχνότητα κατά τη διάρκεια επαγωγικών φαινομένων που επηρεάζουν συστήματα, όπου η HVDC σύνδεση αντιπροσωπεύει την κύρια τροφοδοσία ενέργειας. Ακόμη λαμβάνοντας υπόψη την τεχνολογία των στρεφόμενων μηχανών, μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε γιατί οι σύγχρονοι συμπυκνωτές αποτελούν ακόμα καθιερωμένη λύση για την τροφοδοσία ενός παθητικού δικτύου μέσω μιας HVDC σύνδεσης. Για παράδειγμα χρησιμοποιήθηκαν στην πρώτη διασύνδεση στο Gotland Island στη Σουηδία πριν 40 χρόνια, και επιλέχθηκαν πάλι όταν ο εξοπλισμός ανανεώθηκε πλήρως (1983, 1987). Σχήμα 2.3.: Παροχή ενός παθητικού συστήματος μέσω μιας HVDC σύνδεσης. Οι σύγχρονοι πυκνωτές συνήθως χρησιμοποιούνται για να ενισχύσουν το λαμβάνων σύστημα και να παρέχουν την ηλεκτρεγερτική δύναμη που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του μετατροπέα (converter). 30

31 Ωστόσο πρέπει να σημειωθεί ότι το υψηλό κόστος και οι απαιτήσεις συντήρησης που σχετίζονται με τους σύγχρονους πυκνωτές, τους καθιστούν μια ακριβή λύση. Επιπλέον πρέπει να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες προϋποθέσεις όταν χρησιμοποιούνται με HVDC μετατροπείς [20], [21]. Σε περίπτωση δικτύου που δε διαθέτει τοπική παραγωγή οι σύγχρονοι πυκνωτές αντιπροσωπεύουν τη μοναδική μηχανική αδράνεια του συστήματος. Γι αυτό το λόγο η αδράνεια τους πρέπει να ρυθμιστεί κατάλληλα έτσι ώστε να διατηρηθεί η συχνότητα και η τάση σε αποδεκτά επίπεδα, αν προκύψουν σφάλματα στο δίκτυο. Όλα αυτά συμβάλουν στην αύξηση του κόστους τους και κατ επέκταση στην αύξηση του κόστους της HVDC σύνδεσης Χρήση στατικών VAR αντισταθμιστών (static VAR compensators) Οι γραμμές μεταφοράς των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει, για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους, να λειτουργούν με την υψηλότερη δυνατή τάση που θα πρέπει επίσης να είναι σταθερή, δεδομένου ότι υπό αυτές τις συνθήκες μεγιστοποιείται η ικανότητα μεταφοράς και ελαχιστοποιούνται οι απώλειες. Ο Στατικός VAR Αντισταθμιστής (Σχήμα 2.4.) χρησιμοποιείται κυρίως για ρύθμιση της τάσης και έλεγχο αέργου ισχύος του δικτύου και τοποθετείται σαν εγκάρσιο κύκλωμα [22]. Αποτελείται από τα ακόλουθα: Πηνία ελεγχόμενα από θυρίστορ (Thyristor Controlled Reactor / TCR). Πυκνωτές διακοπτόμενους με θυρίστορ (Thyristor Switched Capacitor / TSC). Φίλτρα αρμονικών. Μ/Σ υποβιβασμού της τάσης, επειδή η τάση των TCR και TSC για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους περιορίζεται σε 50kV και 30 kv αντίστοιχα. Ο SVC έχει κάποια ικανότητα να ελέγχει την ευστάθεια, αλλά καμία ικανότητα να ελέγχει τη ροή ενεργού ισχύος. Σαν ελεγχόμενο εγκάρσιο στοιχείο μπορεί ακόμη να προσφέρει και άλλες υπηρεσίες, όπως σταθεροποίηση λειτουργίας ως αποτέλεσμα βελτίωσης των μεταβατικών χαρακτηριστικών μεταφοράς των συνδέσεων του δικτύου, περιορισμό των διακυμάνσεων της ενεργού ισχύος με κατάλληλη ρύθμιση της αέργου ισχύος που εγχέεται στο δίκτυο και απόσβεση των υποσύγχρονων συντονισμών. Ο Στατικός VAR Αντισταθμιστής (SVC) ήταν ο πρώτος ελεγκτής FACTS, που εγκαταστάθηκε σε σύστημα, έχει μελετηθεί διεξοδικά και σήμερα αποτελεί συμβατική τεχνολογία με πολλές εφαρμογές. Επίσης, σήμερα μελετάται η εγκατάσταση επανατοποθετούμενων SVC (relocatable SVCs). 31

32 Σχήμα 2.4.: (α)δύο τύποι στατικών αντισταθμιστών (SVC): thyristor controlled reactor και (TCR) thyristor switched capacitor (TSC). (β) Βασική χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος του SVC. Σήμερα είναι αποδεκτό ότι οι στατικοί αντισταθμιστές αποτελούν ανταγωνιστική λύση για την αντικατάσταση των σύγχρονων πυκνωτών. Επιπλέον η σταθεροποιητική δράση τους στην ac τάση επιτρέπει την τροφοδοσία ασθενών ac δικτύων μέσω HVDC συνδέσεων. Όμως στην περίπτωση παθητικού συστήματος ή δικτύου με χαμηλή μηχανική αδράνεια, οι στατικοί αντισταθμιστές δεν αποτελούν αποτελεσματική λύση. Στην πραγματικότητα, δεν μπορούν να αποτρέψουν το μπλοκάρισμα του μετατροπέα ή την κατάρρευση του συστήματος για μεγάλα σφάλματα, αφού εξαρτώνται από την ηλεκτρεγερτική δύναμη του συστήματος για την ορθή λειτουργία τους. Επίσης δεν μπορούν να διασφαλίσουν την επαναφορά του HVDC μετατροπέα και του συστήματος μετά από την περίπτωση μπλακάουτ ΣΤΑΤΙΚΟΙ ΠΥΚΝΩΤΕΣ (STATCONs) Ο στατικός αντισταθμιστής VAR (SVC), που περιγράφεται στα προηγούμενα αποτελεί ήδη σήμερα μια καθιερωμένη τεχνική ελέγχου της τάσης. Φαίνεται εντούτοις ότι πολύ σύντομα στο μέλλον θα ξεπεραστεί από μια νέα διάταξη, καλούμενη στατικό πυκνωτή (STATCON), η οποία παρουσιάζεται στο Σχήμα Η διάταξη αυτή στην ουσία είναι ένας τριφασικός μετατροπέας, ενεργοποιούμενος από την κατά μήκος τάση ενός πυκνωτή συνεχούς φόρτισης, του οποίου οι τρεις τάσεις εξόδου είναι σε φάση με τις AC τάσεις του συστήματος. Όταν οι τάσεις εξόδου είναι υψηλότερες (ή χαμηλότερες) από τις AC τάσεις του συστήματος, η ροή του ρεύματος προπορεύεται (ή έπεται) και η διαφορά στα μεγέθη της τάσης καθορίζει το μέγεθος 32

33 του ρεύματος. Ο πυκνωτής δηλαδή μπορεί να φορτιστεί κατά μία πολικότητα, μέσω του μετατροπέα να μείνει φορτισμένος (V>Vω) και να αποφορτιστεί μέσω των ελεγχόμενων θυρίστορ GTO, παρέχοντας χωρητική ισχύ στο σύστημα (Vω>V). Με τον τρόπο αυτό η άεργος ισχύς κατά μέγεθος και πολικότητα μπορεί να ελεγχθεί, μέσω του ελέγχου της τάσης. Σχήμα 2.5.: (α)διάταξη Στατικού Πυκνωτή (STATCON). Αν ο πυκνωτής είναι φορτισμένος με Vdc, και αν η λειτουργία της γέφυρας είναι σε πλήρη κυματομορφή, το εύρος της φασικής τάσης είναι 0,637Vdc. (β)βασική χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος ενός STATCON. Η υπεροχή του STATCON έναντι της συμβατικής και εγκάρσιας αντιστάθμισης με SVC έγκειται στην αποδιδόμενη ισχύ. Η μέγιστη άεργος ισχύς, την οποία μπορεί να αποδώσει στο σύστημα ο STATCON, ισούται με το γινόμενο της τάσης επί το ρεύμα, ενώ στην περίπτωση του SVC είναι ωc. Συνεπώς, εάν η τάση μειωθεί ο STATCON μπορεί ακόμη να αποδώσει μεγάλες ποσότητες αέργου ισχύος, κάνοντας χρήση της ικανότητας υπερφόρτισης του. Από την άλλη μεριά, με τον SVC η άεργος ισχύς μειώνεται δραστικά, ως συνάρτηση του τετραγώνου της τάσης όποτε χρειάζεται. Επομένως, ανάλογα με την εφαρμογή, η απαιτούμενη ονομαστική ισχύς του στατικού πυκνωτή θα είναι πολύ μικρότερη από την ισχύ ενός αντίστοιχου SVC. Εντούτοις ο στατικός πυκνωτής απαιτεί τη χρησιμοποίηση θυρίστορ GTO, τα οποία προς το παρόν είναι πολύ δαπανηρά και έχουν περισσότερες απώλειες και μικρότερες τιμές τάσης και ρεύματος. Έτσι, ενώ η τρέχουσα τεχνολογία των θυρίστορ έχει φθάσει τα 8kV, 4000A η τεχνολογία των GTO βρίσκεται στα 4,5kV 6kV, 4000A 6000A. Ο STATCON μπορεί να θεωρηθεί σαν πηγή τάσης πίσω από μια άεργη αντίσταση, η οποία στην πραγματικότητα είναι η άεργη αντίσταση διαρροής του μετασχηματιστή (Σχήμα 2.5.). Το εύρος και η φάση της τάσης εξόδου μπορεί να 33

34 ελεγχθεί γρήγορα και αποτελεσματικά μέσω του ελέγχου των μετατροπέων. Το εύρος της τάσης εξόδου είναι ανάλογο της τάσης της DC πλευράς του μετατροπέα. Σχήμα 2.6.: Διαγράμματα φασόρων του STATCON συνδεδεμένου στο σύστημα. (α) Ο STATCON απορροφά άεργο ισχύ και φορτίζει τον DC πυκνωτή. (β) Ο STATCON απορροφά και (γ) ο STATCON παράγει άεργο ισχύ. Αυτή μπορεί να διαμορφωθεί είτε με χρήση της μεθόδου PWM, όπου η συνεχής τάση διατηρείται σταθερή, είτε μέσω της αυξομείωσης της συνεχούς τάσης, όπου εφαρμόζεται λειτουργία πλήρους κυματομορφής. Αξίζει να σημειωθεί ότι για εφαρμογές υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος, που απαιτείται υψηλή απόδοση και μέγιστη εκμετάλλευση της διαθέσιμης τάσης εξόδου, προτιμάται η λειτουργία πλήρους κυματομορφής από τη μέθοδο PWM. Στην πραγματικότητα η μέθοδος PWM αυξάνει τις απώλειες του μετατροπέα, αφού ένα μέρος αυτής είναι ανάλογο της συχνότητας μεταγωγής. Ταυτόχρονα η μέθοδος PWM μειώνει το μέγιστο εύρος της τάσης εξόδου (και ισχύος), η οποία θεωρητικά θα μπορούσε να επιτευχθεί για μια δοσμένη DC τάση. Επίσης χρησιμοποιεί την ικανότητα σβέσης των GTO θυρίστορς κατά την επαγωγική και τη χωρητική λειτουργία, ενώ η λειτουργία πλήρους κυματομορφής τη χρησιμοποιεί μόνο κατά τη χωρητική λειτουργία. Στην επαγωγική λειτουργία ο μετατροπέας έχει φυσική μεταγωγή και γι αυτό το όριο του επαγωγικού ρεύματος θα είναι υψηλότερο αν εφαρμοστεί η μέθοδος λειτουργίας πλήρους κυματομορφής. Η παραγωγή ή η απορρόφηση αέργου ισχύος επιτυγχάνεται ελέγχοντας τον μετατροπέα με τέτοιο τρόπο, ώστε η κύρια αρμονική της τάσης εξόδου να είναι σε φάση με την τάση του συστήματος. Έτσι το ρεύμα που τραβάει είναι καθαρά επαγωγικό ρεύμα. Υπό αυτές τις συνθήκες η ροή αέργου ισχύος ανάμεσα στο σύστημα και στον STATCON ελέγχεται πλήρως από το εύρος της τάσης εξόδου. Αν 34

35 αυτή η τάση αυξηθεί πάνω από αυτή του συστήματος, ο STATCON παράγει άεργο ισχύ. Αντίθετα αν αυτή η τάση μειωθεί κάτω από του συστήματος, ο STATCON απορροφά άεργο ισχύ (Σχήμα 2.6.). Για να αλλάξουμε το εύρος της τάσης εξόδου του STATCON είναι αρκετό να δημιουργήσουμε μια μετατόπιση φάσης ανάμεσα στην τάση εξόδου και την τάση του συστήματος, ώστε να δημιουργηθεί ροή ενεργού ισχύος ανάμεσα στον STATCON και το σύστημα. Αυτό επιτρέπει στον πυκνωτή να φορτίζεται και να αποφορτίζεται και ταυτόχρονα να ρυθμίζει την DC τάση στα άκρα του (βλέπε σχήμα 2.6.). Η φάση της τάσης εξόδου ελέγχεται από τους χρόνους έναυσης των βαλβίδων του μετατροπέα. Η φάση προπορεύεται ή έπεται συναρτήσει της προήγησης ή της καθυστέρησης των χρόνων έναυσης (βλέπε σύστημα έναυσης στο σχήμα 2.7.). Σχήμα 2.7.: Βασικός έλεγχος και σύστημα έναυσης του STATCON. Σε έναν πραγματικό STATCON, ο εξαπαλμικός αντιστροφέας που περιγράφεται παραπάνω δε θα ανταποκρινόταν το ίδιο στις απαιτήσεις του συστήματος, όπως στην ονομαστική τάση και ρεύμα ή στις διαταραχές από τις αρμονικές στην AC και στη DC πλευρά. Η ένωση πολλών εξαπαλμικών γεφυρών σε έναν αντιστροφέα με γέφυρα πολλαπλών παλμών επιτρέπει την κατασκευή ενός STATCON με υψηλότερη χωρητικότητα αέργου ισχύος, καθώς και με τη μείωση των διαταραχών από τις αρμονικές σε ικανοποιητικά επίπεδα. Στην AC πλευρά η μείωση των διαταραχών από τις αρμονικές μειώνει τις απαιτήσεις σε φίλτρα. Σαν αποτέλεσμα, στην DC πλευρά επιτρέπει τη χρήση μικρότερων πυκνωτών. Πρέπει να σημειωθεί ότι ένας 6νπαλμικός αντιστροφέας χρειάζεται ν μετασχηματιστές, καθένας από τους οποίους πρέπει να ρυθμιστεί διαφορετικά στο δευτερεύον προκειμένου να εμφανιστεί η μετατόπιση φάσης που απαιτείται σε κάθε εξαπαλμική γέφυρα [23]. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα του STATCON είναι ότι απαιτείται μικρή χωρητικότητα πυκνωτών για την απορρόφηση της αέργου ισχύος. Επίσης δεν χρειαζόμαστε μεγάλο επαγωγό. Για παράδειγμα, η ποσότητα των πυκνωτών μπορεί να είναι το 1/6 αυτών που θα απαιτούνταν αν χρησιμοποιούσαμε έναν συμβατικό SVC των ίδιων προδιαγραφών. Συνεπώς, αναμένεται μεγάλη μείωση στο μέγεθος του συστήματος [24]. Επιπλέον ο STATCON δεν έχει στρεφόμενα μέρη. Γι αυτό το λόγο, σαν κάθε άλλη στατική συσκευή χρειάζεται λιγότερη συντήρηση και έχει καλύτερη διαθεσιμότητα από ότι οι σύγχρονοι πυκνωτές. Όλες αυτές οι πτυχές κάνουν τον STATCON μια ενδιαφέρουσα λύση για να αντικαταστήσει τους 35

36 σύγχρονους πυκνωτές σε ένα HVDC σταθμό που τροφοδοτεί παθητικά AC συστήματα ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σ αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν οι κύριες λειτουργικές πτυχές ενός παθητικού συστήματος που τροφοδοτείται από έναν HVDC μετατροπέα και έναν STATCON. Ολόκληρο το HVDC σύστημα παρουσιάζεται με την υπόθεση ότι το αποστέλλων άκρο της HVDC σύνδεσης είναι ένα άπειρο AC σύστημα. Ο STATCON είναι ένας 12-παλμικός αντιστροφέας που συνδέεται στο σύστημα μέσω Μ/Σ με ΥΥ και ΥΔ σύνδεση, των οποίων τα δευτερεύοντα είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Ο αντιστροφέας είναι σε λειτουργία μετατροπής της θεμελιώδους συχνότητας (fundamental frequency switching). Στην περίπτωση μας το λαμβάνων σύστημα τροφοδοτείται από στατικό εξοπλισμό μόνο. Γι αυτό το λόγο ο έλεγχος της τάσης και ειδικότερα της συχνότητας εξαιτίας της παρουσίας των σύγχρονων μηχανών, δεν υφίσταται πλέον. Ενώ ο έλεγχος της τάσης μπορεί να επιτευχθεί με ένα συμβατικό τρόπο από τον STATCON, ο έλεγχος της συχνότητας απαιτεί μια επιπλέον λειτουργία στο σύστημα ελέγχου του μετατροπέα. Στην περίπτωση μας η συχνότητα του λαμβάνοντος συστήματος εξαρτάται από το σύστημα έναυσης του HVDC μετατροπέα. Επίσης, για να μπορεί ο HVDC μετατροπέας να ελέγχει τη συχνότητα στην ονομαστική της τιμή είναι απαραίτητο να εισάγουμε μια ανεξάρτητη συχνότητα αναφοράς στο σύστημα ελέγχου [19] Έλεγχος της συχνότητας και της τάσης Ο έλεγχος της τάσης επιτυγχάνεται από τον STATCON. Προσαρμόζει τη λειτουργία του για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του HVDC μετατροπέα και του AC συστήματος σε άεργο ισχύ. Αυξομειώσεις στην ισχύ που παρέχεται από τον HVDC μετατροπέα συνοδεύονται από αυξομειώσεις στην άεργο ισχύ που απορροφάται. Ο STATCON θα πρέπει αποτελεσματικά να τακτοποιήσει αυτές τις αυξομειώσεις και να διασφαλίσει μια σταθερή AC τάση, ώστε να υπάρξει ομαλή λειτουργία του HVDC μετατροπέα. Όπως προαναφέρθηκε, ο HVDC μετατροπέας καθορίζει και ελέγχει τη συχνότητα του λαμβάνοντος συστήματος. Στην πραγματικότητα, η συχνότητα είναι αποτέλεσμα των παλμών έναυσης των βαλβίδων του HVDC μετατροπέα [19]. Ο HVDC μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί σε διαφορετικές συνθήκες ελέγχου (όπως για παράδειγμα, έλεγχο συνεχούς τάσης ή ρεύματος). Όμως ανεξάρτητα απ την 36

37 επιλογή ελέγχου, πρέπει πάντα να προστίθεται ένας βρόγχος ελέγχου συχνότητας στο σύστημα ελέγχου Λειτουργία της HVDC σύνδεσης Η δυναμική συμπεριφορά του συστήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συμπεριφορά της HVDC σύνδεσης. Απ την άλλη πλευρά, οι δυναμικές συμπεριφορές που εμφανίζονται κοντά στα άκρα της σύνδεσης είναι συνάρτηση των ελεγκτών που επιλέγονται σε κάθε σταθμό μετατροπής. Ο ανορθωτής ελέγχει το DC ρεύμα, ενώ ο αντιστροφέας την AC συχνότητα του συστήματος χρησιμοποιώντας τη γωνία έναυσης του μετατροπέα. Κάθε χρονική στιγμή η συχνότητα του δικτύου μετράται και συγκρίνεται με μια συχνότητα αναφοράς. Το σήμα σφάλματος χρησιμοποιείται για ρύθμιση της γωνίας έναυσης του αντιστροφέα, προκειμένου να αντιμετωπισθούν οι αυξομειώσεις του φορτίου και να διατηρηθεί η συχνότητα στην ονομαστική της τιμή. Σχήμα 2.8.: Βασικός έλεγχος και σύστημα έναυσης του HVDC αντιστροφέα. Ο ΡΙ ελεγκτής βασίζεται σε ένα ψηφιακά προγραμματισμένο ελεγκτή. Το σύστημα έναυσης βασίζεται στον γνωστό ελεγχόμενο απ την τάση ταλαντωτή (VCO). Οι παλμοί έναυσης στη συνέχεια διανέμονται σε κάθε βαλβίδα. Ο HVDC μετατροπέας μαζί με τον STATCON μπορούν να τροφοδοτούν όλες τις τιμές των φορτίων. Όταν η ισχύς που τροφοδοτείται από τον HVDC αντιστροφέα ακολουθεί σχεδόν γραμμικά τις αυξομειώσεις του φορτίου, ο STATCON διατηρεί την AC τάση στην ονομαστική της τιμή. Και έτσι η συμπεριφορά του συστήματος είναι πολύ σταθερή. Αν βέβαια έχουμε την απομάκρυνση ενός φορτίου από το σύστημα, τότε και πάλι αυτό παραμένει σταθερό και μάλιστα φτάνει σε μια νέα μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Επίσης, τόσο ο HVDC μετατροπέας όσο και ο STATCON αντέχουν στις διαταραχές που προκαλούνται από τα σφάλματα και επιστρέφουν στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όταν το σφάλμα εξουδετερωθεί. 37

38 2.5.3 Ενεργοποίηση από κατάσταση μπλακάουτ Όταν είμαστε σε κατάσταση μπλακάουτ, αφού ο HVDC αντιστροφέας είναι η μοναδική πηγή ενέργειας στο σύστημα, το μπλοκάρισμά του θα προκαλέσει κατάρρευση του συστήματος. Έτσι πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή για να διασφαλιστεί η γρήγορη επανεκκίνηση της HVDC σύνδεσης από κατάσταση μπλακάουτ. Αφού ο STATCON είναι βασισμένος σε αυτομεταγώμενους μετατροπείς, μπορεί από μια μπαταρία να παράγει την AC τάση που είναι απαραίτητη για την επανεκκίνηση του HVDC μετατροπέα. Αφού στο άκρο έχει γίνει επανεκκίνηση, το φορτίο μπορεί σταδιακά να καταναλωθεί. 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΩΝ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Στα άκρα κάθε HVDC συστήματος μεταφοράς υπάρχουν οι σταθμοί μετατροπής του συστήματος. Ανάλογα με τις ανάγκες του έργου που καλείται να εξυπηρετήσει το HVDC σύστημα, προσδιορίζεται και η τοπολογία του σταθμού μετατροπής, που στη γενική μορφή της μοιάζει με αυτή του σχήματος 3.1. Σχήμα 3.1.: Μονογραμμικό διάγραμμα τυπικού σταθμού μετατροπής [25]. Παρακάτω, παρουσιάζονται και αναλύονται τα επιμέρους τμήματα που αποτελούν έναν υποσταθμό (σχήμα 3.2.). 39

40 Σχήμα 3.2.: Διάρθρωση HVDC υποσταθμού [26] ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ (CONVERTERS) Αδιαμφισβήτητα, οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στον υποσταθμό αποτελούν το σημαντικότερο κομμάτι του, εφόσον μέσω αυτών γίνεται η μετατροπή της ac τάσης σε dc, όπου έχουμε λειτουργία ανορθωτή (rectifier), και της dc τάσης σε ac, όπου και έχουμε λειτουργία αντιστροφέα (inverter) Δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς Η βασική τοπολογία μετατροπέων που χρησιμοποιείται σήμερα είναι η τριφασική γέφυρα 12-παλμών. 40

41 Σχήμα 3.3.: Τριφασική γέφυρα 12-παλμών. Kάθε γέφυρα 12-παλμών αποτελείται από δύο γέφυρες μετατροπής 6-παλμών (Graetz bridge), οι οποίες συνδέονται σε σειρά στη dc πλευρά τους. Επιπλέον, στην ac πλευρά υπάρχει μια διαφορά φάσης 30 ο στην τροφοδοσία των γεφυρών 6-παλμών, η οποία επιτυγχάνεται τροφοδοτώντας τη μία γέφυρα μέσω ενός μετασχηματιστή σε συνδεσμολογία αστέρα στο δευτερεύον και τροφοδοτώντας την άλλη γέφυρα 6- παλμών, μέσω ενός μετασχηματιστή με συνδεσμολογία τριγώνου στο δευτερεύον. Πρέπει εδώ να τονίσουμε ότι είναι δυνατόν να υπάρχουν είτε δύο μετασχηματιστές (ο ένας σε συνδεσμολογία Υ/Υ και ο άλλος σε Υ/Δ, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3.), είτε ένας μετασχηματιστής με δύο τυλίγματα στο δευτερεύον (το ένα σε σύνδεση Υ και το άλλο σε Δ, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4.). Αυτός ο τρόπος σύνδεσης, συνδέει τις δύο γέφυρες 6-παλμών σε σειρά στη dc πλευρά και παράλληλα στην ac πλευρά, έτσι ώστε να έχουμε από τη μία υψηλές dc τάσεις και από την άλλη περιορισμό των αρμονικών των ac ρευμάτων και της κυμάτωσης της dc τάσης. Έτσι, προκύπτει η γέφυρα 12-παλμών [27]. Σχήμα 3.4.: Τριφασική γέφυρα 12-παλμών. Ανάλογα με το είδος των ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος που χρησιμοποιούνται στην γέφυρα προκύπτουν και τα διάφορα είδη μετατροπέων που εφαρμόζονται στους υποσταθμούς. Έτσι, λοιπόν, έχουμε τις εξής κατηγορίες μετατροπέων [28]: 41

42 Φυσικής μεταγωγής, οπότε χρησιμοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ (Line-Commutated Current Source Converter, CSC) Μεταγωγής μέσω πυκνωτών, όπου παρεμβάλλονται πυκνωτές σε σειρά μεταξύ των μετασχηματιστών και των μετατροπέων (Capacitor Commutated Converter, CCC) Εξαναγκασμένης μεταγωγής, όπου χρησιμοποιούνται GTOs ή IGPTs (Self- Commutated Voltage Source Converter, VSC) Μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (Line-Commutated Current Source Converter, CSC) Στην περίπτωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής οι ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος που χρησιμοποιούνται στη γέφυρα 12-παλμών είναι τα θυρίστορ (σχ.3.5). Το θυρίστορ είναι ένας ελεγχόμενος ημιαγωγικός διακόπτης, ο οποίος μπορεί να αντέξει σε αρκετά υψηλά ρεύματα (4000 Α) και είναι ικανός να διακόψει πολύ υψηλές τάσεις (μέχρι 10kV). Συνδέοντας πολλά θυρίστορ σε σειρά είναι δυνατόν να χτίσουμε μια μία μονάδα θυρίστορ, η οποία μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλές τάσεις (μερικές εκατοντάδες kv) [25]. Σχήμα 3.5.: Γέφυρα 12-παλμών. Η μονάδα των θυρίστορ λειτουργεί υπό την συχνότητα του δικτύου (50Hz ή 60Hz) και είναι δυνατός ο έλεγχος του επιπέδου της παραγόμενης dc τάσης, μέσω του ελέγχου της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Αυτός είναι και ο βασικός τρόπος με τον οποίο μπορούμε να ελέγξουμε τη ροή της μεταφερόμενης ισχύος γρήγορα και αποτελεσματικά. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η διαδικασία της μετατροπής απαιτεί κατανάλωση άεργου ισχύος. Αυτή η απαιτούμενη άεργος ισχύς παρέχεται στο σύστημα μέσω των ac φίλτρων (σχήμα 3.6.), τα οποία φαίνονται σαν χωρητικότητες στην θεμελιώδη συχνότητα ή μέσω πυκνωτών αντιστάθμισης, οι οποίοι είναι ένα ουσιαστικό κομμάτι του σταθμού μετατροπής. Αυτή η έλλειψη άεργου ισχύος θα πρέπει να παραμένει μέσα σε ορισμένα επίπεδα, έτσι ώστε να διατηρείται η επιθυμητή κυμάτωση της ac τάσης μέσα στο επιτρεπόμενο όριο. Γενικά, όσο πιο αδύναμο είναι το ac σύστημα ή όσο πιο μακριά από τη γεννήτρια βρίσκεται ο μετατροπέας, τόσο πιο «σφιχτή» πρέπει 42

43 να είναι η ανταλλαγή άεργου ισχύος, έτσι ώστε να έχουμε κυμάτωση της τάσης μέσα στα επιθυμητά πλαίσια. Σχήμα 3.6.: Συμβατικός HVDC μετατροπέας φυσικής μεταγωγής Μετατροπείς μεταγωγής μέσω πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters, CCC) Η κατηγορία αυτή των μετατροπέων αποτελεί μία βελτίωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής, η οποία εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 90 κυρίως για αδύναμα συστήματα back-to-back εφαρμογών [29]. Στους μετατροπείς μεταγωγής μέσω πυκνωτών έχουμε τη χρήση πυκνωτών μεταγωγής, οι οποίοι τοποθετούνται σε σειρά μεταξύ του μετασχηματιστή (ή των μετασχηματιστών) του μετατροπέα και των μονάδων των θυρίστορ, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.7. Σχήμα 3.7.: Μετατροπέας μεταγωγής μέσω πυκνωτών [30]. Οι πυκνωτές μεταγωγής παρέχουν άεργο ισχύ στον μετατροπέα ανάλογη του φορτίου του. Έτσι, λοιπόν, καλύπτουν την ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος στον μετατροπέα, αποκλείοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάγκη χρήσης πυκνωτών 43

44 αντιστάθμισης και μεγάλων συστοιχιών φίλτρων για τον ίδιο σκοπό[8]. Παρόλ αυτά, η χρήση των φίλτρων είναι απαραίτητη για την μείωση των αρμονικών, αλλά σε αυτήν την περίπτωση αντί για συστοιχίες φίλτρων με βαθμονόμηση πολλών MVar χρησιμοποιούνται νέα ενεργά dc φίλτρα και ac φίλτρα συνεχώς συντονιζόμενα (continuously tuned) [31] (σχ.3.8.). Τέλος, η μη χρήση συστοιχιών φίλτρων έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνεται σε σημαντικό βαθμό ο χώρος που απαιτείται για την εγκατάσταση του HVDC υποσταθμού. Σχήμα 3.8.: Μονογραμμικό διάγραμμα CCC με ac φίλτρο συνεχώς συντονιζόμενο [31]. Άλλα επιπρόσθετα πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση των πυκνωτών μεταγωγής είναι [31]: Αύξηση της ανεκτικότητας σε πτώση τάσης στο 15-20% χωρίς την πρόκληση σφάλματος μεταγωγής, εφόσον οι πυκνωτές αποτελούν μία πηγή αντιστάθμισης της τάσης σε συνδυασμό με την τάση του ac ζυγού. Βελτίωση της σταθερότητας του μετατροπέα. Μείωση της ονομαστικής ισχύος των μετασχηματιστών του μετατροπέα που χρησιμοποιούνται, λόγω της μείωσης της άεργου ισχύος που ρέει διαμέσου αυτών. Δυνατότητα αύξησης της ονομαστικής ισχύος σε περιοχές όπου το ac δίκτυο βρίσκεται κοντά στο όριο σταθερότητας του. Τέλος, η τοποθέτηση των πυκνωτών μεταγωγής μπορεί να γίνει, εκτός από την προαναφερθείσα τοπολογία, στην πλευρά του μετασχηματιστή του μετατροπέα προς το ac σύστημα και τότε η τοπολογία είναι γνωστή ως ελεγχόμενος μετατροπέας πυκνωτών σε σειρά (controlled series capacitor converter, CSCC) [30] και δίνεται παρακάτω σε μονογραμμικό διάγραμμα στο σχήμα 3.9. Σχήμα 3.9.: Ελεγχόμενος μετατροπέας πυκνωτών σε σειρά [30]. 44

45 Ως εφαρμογές των μετατροπέων μεταγωγής μέσω πυκνωτών έχουμε τις διασυνδέσεις Garabi και Rapid City Tie. Η διασύνδεση Garabi μεταξύ Βραζιλίας και Αργεντινής αποτελείται από 4 x 550MW παράλληλες συνδέσεις CCC, ενώ η Rapid City Tie από 2 x 100MW παράλληλες συνδέσεις CCC [27] Μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (Self- Commutated Voltage Source Converters, VSC) Τα HVDC συστήματα μεταφοράς που χρησιμοποιούν μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (VSCs) με διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Width Modulation, PWM), γνωστούς και ως HVDC Light ή HVDC Plus, εισήχθησαν στην αγορά στα τέλη της δεκαετίας του 90. Λόγω της μεγάλης ανάπτυξης των VSCs καθώς και των πολλών πλεονεκτημάτων που προσφέρει η χρήση τους, τείνει να αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό η χρήση των συμβατικών HVDC μετατροπέων (CSCs και CCCs). Στους VSCs γίνεται χρήση ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτών, όπως διπολικών τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors) και θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (GTOs, Gate Turn-Off Thyristos). Αυτό συνιστά και την βασική διαφορά ανάμεσα στους VSCs και τους συμβατικούς μετατροπείς που χρησιμοποιούν θυρίστορ, αφού στην περίπτωση των VSCs μπορεί να γίνει όχι μόνο έναυση αλλά και σβέση των IGBTs και των GTOs με χρήση σημάτων στην πύλη τους κατά τη διάρκεια που αυτά διαρρέονται από ρεύμα. Έτσι, λοιπόν, δεν παρουσιάζεται ανάγκη για μια ενεργή τάση μεταγωγής από το συνδεδεμένο δίκτυο [32]. Σχήμα 3.10.: Μία φάση μετατροπέα εξαναγκασμένης μεταγωγής με PWM [32]. Τα IGBTs όταν πολώνονται ορθά μπορούν να άγουν προς μία μόνο κατεύθυνση, αλλά η χρήση μιας διόδου συνδεδεμένης αντιπαράλληλα με το IGBT, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.13, προσφέρει τη δυνατότητα στον μετατροπέα να άγει ρεύμα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Επίσης, τα IGBTs έχουν μεγάλη σύνθετη αντίσταση πύλης και γι αυτό απαιτείται μικρή ποσότητα ενέργειας για τη μετάβασή τους. Επιπλέον, οι διακόπτες λειτουργούν σε μία μέση συχνότητα περίπου 1kHz και ανοιγοκλείνουν με τέτοιο τρόπο, ώστε οι κατώτερες αρμονικές να απαλείφονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, να απαιτούνται φίλτρα μόνο για την απαλοιφή αρμονικών υψηλότερων συχνοτήτων. Η λειτουργία του μετατροπέα επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Με την PWM διαμόρφωση επιτρέπεται η ταυτόχρονη 45

46 μεταβολή του πλάτους και της φάσης της ac τάσης εξόδου του αντιστροφέα, έχοντας ως είσοδο σταθερή dc τάση. Συνεπώς, με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού και της άεργου ισχύος του συστήματος ξεχωριστά, που είναι και το βασικότερο πλεονέκτημα των VSCs. Λειτουργία Μετατροπέων Εξαναγκασμένης Μεταγωγής Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία των μετατροπέων VSCs, μπορούμε να θεωρήσουμε κάθε τερματικό σταθμό της διασύνδεσης σαν μία πηγή τάσης συνδεδεμένη στο ac δίκτυο μεταφοράς, μέσω μίας τριφασικής αντίδρασης [33], όπως φαίνεται στην εικόνα Οι δύο τερματικοί σταθμοί συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας HVDC διασύνδεσης όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 3.11.: Μονογραμμικό διάγραμμα VSC μεταφοράς [33]. Παρακάτω δίνεται το φασικό διάγραμμα ενός μετατροπέα VSC (σχ ), ο οποίος συνδέεται στο ac δίκτυο μέσω της αυτεπαγωγής του μετασχηματιστή του μετατροπέα. Σχήμα 3.12.: Φασικό διάγραμμα VSC μετατροπέα [33]. Η τάση αναφοράς Uv(1), την οποία παίρνουμε ως την τάση στον μετασχηματιστή του μετατροπέα προς την μεριά των IGBTs, είναι ανάλογη της DC τάσης, όπως εκφράζεται και από τη σχέση(1) : (1) 46

47 Ο συντελεστής μπορεί να ελεγχθεί μέσω της PWM διαμόρφωσης. Αμελώντας την αντίσταση του μετασχηματιστή, προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις για την ενεργό και την άεργο ισχύ : (2) Η ενεργός και η άεργος ισχύς θα θεωρούνται θετικές όταν έχουμε ροή ισχύος από το AC δίκτυο προς τον μετατροπέα. Επιπλέον, η γωνία δ θα θεωρείται θετική στην περίπτωση που η τάση εξόδου του μετατροπέα έπεται της AC τάσης του δικτύου. Η σχέση (2) δείχνει ότι η ενεργός ισχύς είναι ανάλογη του DC ρεύματος και της DC τάσης. Επίσης, καθορίζεται κυρίως από την μεταβολή της γωνίας δ. Μία θετική γωνία δ συνεπάγεται ότι η ενεργός ισχύς ρέει από το AC δίκτυο προς τον μετατροπέα. Παρόλ αυτά, όμως, η άεργος ισχύς καθορίζεται κυρίως από τη διαφορά μεταξύ του εύρους της τάσης του AC ζυγού τάσης και της τάσης εξόδου του μετατροπέα, σύμφωνα με την σχέση (3). Η άεργος ισχύς τροφοδοτείται από την τάση με το υψηλότερο εύρος προς την τάση με το χαμηλότερο εύρος. Αυτά τα παραπάνω χαρακτηριστικά των μετατροπέων VSCs επιτρέπουν τον ανεξάρτητο έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος, που είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα των μετατροπέων VSCs. Μετά την ύψωση στο τετράγωνο και την κατά μέλη πρόσθεση των σχέσεων (2) και (3) προκύπτει ότι: (3) Το διάγραμμα P-Q είναι ένας κύκλος σύμφωνα με τη σχέση (4), του οποίου το κέντρο δεν βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, όπως συμβαίνει με τους μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (σχ ). (4) Σχήμα 3.13.: Χαρακτηριστική P-Q συστήματος VSC-HVDC [33]. 47

48 Εάν η τάση εξόδου του μετατροπέα μειωθεί, με χρήση PWM διαμόρφωσης, θα είναι δυνατή η παροχή οποιουδήποτε συνδυασμού ενεργού και άεργου ισχύος που βρίσκεται μέσα στον κύκλο. Πλεονεκτήματα των Μετατροπέων Εξαναγκασμένης Μεταγωγής Τα βασικά πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής είναι τα εξής [34]: Δυνατότητα ελέγχου της άεργου ισχύος, που καταναλώνεται ή παράγεται από τον μετατροπέα, ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τον έλεγχο της ενεργού ισχύος, προς και από το μετατροπέα. Αποφυγή ρίσκου σφαλμάτων μεταγωγής στο μετατροπέα. Ικανότητα σύνδεσης σε αδύναμα δίκτυα ή ακόμα και «νεκρά». Γρηγορότερη αντίδραση χάρις στην αυξημένη συχνότητα διακοπών (PWM). Μικρότερη επίδραση στο περιβάλλον. Όχι ανάγκη αλλαγής της πολικότητας της τάσης όταν αλλάζει η κατεύθυνση μεταφοράς της ισχύος, γεγονός που κάνει ευκολότερη την κατασκευή πολυτερματικών δικτύων. Μικρότερο μέγεθος υποσταθμών, πράγμα που οδηγεί στη μείωση του απαιτούμενου χώρου για την κατασκευή τους. Παρόλα, όμως, τα παραπάνω πλεονεκτήματα, οι μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής παρουσιάζουν και ορισμένα μειονεκτήματα. Αυτά είναι οι πιθανές υψηλές απώλειες ισχύος, όπως επίσης και η αυξημένη απαίτηση κεφαλαίου για την κατασκευή τους, σε σύγκριση με τους συμβατικούς μετατροπείς. Οι κυριότερες εφαρμογές των VSC-HVDC συστημάτων είναι οι παρακάτω [32]: Μικρά, απομονωμένα φορτία. Ενεργειακός εφοδιασμός νησιών. Μεταφορά ισχύος από και προς πλατφόρμες πετρελαίου και φυσικού αερίου, που δεν βρίσκονται κοντά στην στεριά. Τροφοδότηση κέντρου πόλεων. Χρήση τους σε πολύ-τερματικά δίκτυα ΦΙΛΤΡΑ Η χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος στους μετατροπείς έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αρμονικών, γεγονός που προκαλεί προβλήματα. Για την αποφυγή της διάχυσης αυτών των αρμονικών στο ac δίκτυο, γίνεται χρήση φίλτρων στην ac και την dc πλευρά τις διασύνδεσης AC ΦΙΛΤΡΑ Βασικός σκοπός των ac φίλτρων είναι η αποτροπή διάχυσης αρμονικών του ρεύματος στο ac δίκτυο, με στόχο τη μείωση του ποσοστού διαταραχής της τάσης στο σημείο κοινής διασύνδεσης, καθώς και την ελάττωση των τηλεφωνικών παρεμβολών στο συνδεδεμένο ac δίκτυο. Επιπλέον, τα ac φίλτρα (εικ ) παρέχουν άεργο 48

49 ισχύ με σκοπό την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος που καταναλώνεται στους HVDC μετατροπείς στη θεμελιώδη συχνότητα [35]. Στην περίπτωση της γέφυρας 6-παλμών, οι χαρακτηριστικές αρμονικές ρεύματος που παράγονται είναι τάξεως 6n +/- 1. Αντίστοιχα, κατά τη λειτουργία μετατροπέα με γέφυρα 12-παλμών έχουμε παραγωγή αρμονικών ρεύματος τάξεως 12n +/- 1. Τα ac φίλτρα συνήθως συντονίζονται για τις 11 η, 13 η, 23 η και 25 η αρμονικές σε γέφυρα 12- παλμών. Ο συντονισμός στην 5 η και 7 η αρμονική απαιτείται στην περίπτωση όπου υπάρχει γέφυρα 6-παλμών. Οι αρμονικές εμφανίζονται κυρίως στα ac ρεύματα εφόσον η ac τάση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ac δίκτυο [36]. Όσον αφορά την αντιστάθμιση άεργου ισχύος, στην περίπτωση των CCC μετατροπέων η άεργος ισχύς αντισταθμίζεται από τη σύνδεση πυκνωτών σε σειρά ανάμεσα στους μετατροπείς και τους μετασχηματιστές του μετατροπέα. Αυτό συνεπάγεται τη μη αναγκαιότητα χρήσης του απαραίτητου εξοπλισμού στα ac φίλτρα για αντιστάθμιση, έχοντας σαν αποτέλεσμα τη μείωση της περιοχής που απαιτείται για τη δημιουργία ενός HVDC σταθμού με CCC. Επίσης, στην περίπτωση χρήσης VSC μετατροπέων εκτός του ότι δεν υπάρχει ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος, οι αρμονικές ρευμάτων στην ac πλευρά συνδέονται άμεσα στη συχνότητα της PWM διαμόρφωσης. Έτσι, λοιπόν, ο αριθμός των φίλτρων που απαιτούνται μειώνεται δραματικά σε σύγκριση με όταν έχουμε χρήση μετατροπέων φυσικής μεταγωγής [25]. Επιπροσθέτως, πρέπει να αναφερθούμε και στη χρήση ενεργών ac φίλτρων. Ενώ τα παθητικά φίλτρα στην ac πλευρά παρουσιάζουν μία αναξιοπιστία, εξαιτίας της διαφοράς απόδοσης των αρμονικών σε ένα πραγματικό σύστημα απ ότι σε ένα σύστημα προσομοίωσης για υπολογισμούς, τα ενεργά φίλτρα παρουσιάζουν κάποια πλεονεκτήματα. Τα ενεργά φίλτρα : Καλύπτουν μια ευρεία περιοχή αρμονικών. Δεν επηρεάζονται από μεταβολές της θερμοκρασίας. Δεν απαλείφουν άλλες αρμονικές πέρα από τις δικές τους. Παρέχουν μεγάλες διακυμάνσεις στις στις αντιδράσεις των ac συστημάτων. Υποβαθμίζουν ασύγχρονες ταλαντώσεις. Είναι γενικά μικρότερου μεγέθους σε σχέση με τα παθητικά φίλτρα DC ΦΙΛΤΡΑ Μερικές από τις αρμονικές που δημιουργούν οι μετατροπείς συστήματα μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολές στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Έτσι, λοιπόν, σε περίπτωση που ο σταθμός μετατροπής συνδέεται σε DC σύστημα με εναέριες γραμμές μεταφοράς κρίνεται απαραίτητη η χρήση dc φίλτρων στην dc πλευρά [25], [37]. Οι αρμονικές τάσης που παράγονται από γέφυρα 6-παλμών είναι τάξης 6n και αντίστοιχα από γέφυρα 12-παλμών τάξης 12n. Τα dc φίλτρα περιορίζουν την κυμάτωση στην τάση εξόδου, ενώ το dc ρεύμα εξομαλύνεται κυρίως από τις αυτεπαγωγές εξομάλυνσης που υπάρχουν. Όσον αφορά τα ενεργά dc φιλτρά, αυτά είναι ένας τρόπος να ικανοποιηθούν οι αρκετά αυστηρές απαιτήσεις για τα επίπεδα παρεμβολών των dc γραμμών. Η 49

50 γενικότερη ιδέα είναι ο συνδυασμός ενός ενεργού dc φίλτρου με ένα μικρό τμήμα παθητικού dc φίλτρου (σχ ). Σχήμα 3.14.: Τοπολογία dc ενεργού φίλτρου. Πρέπει να τονίσουμε ότι σε περιπτώσεις που έχουμε χρήση μόνο καλωδίου, και όχι εναέριας γραμμής dc, καθώς και στην back-to-back διασύνδεση, δεν είναι απαραίτητη η χρήση dc φίλτρων ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ (CONVERTER TRANSFORMERS) Ένας μετασχηματιστής μετατροπέα τοποθετείται ανάμεσα στο ac δίκτυο και στη γέφυρα του μετατροπέα, και εξυπηρετεί ορισμένες λειτουργίες. Οι βασικές λειτουργίες που εξυπηρετεί είναι [38]: Η προσφορά ac τάσεων από δύο ξεχωριστά κυκλώματα με σχετική διαφορά φάσης 30 ηλεκτρικών μοιρών, με σκοπό τη μείωση των αρμονικών χαμηλής τάξης, κυρίως της 5ης και 7ης τάξης. Γαλβανική απομόνωση μεταξύ του ac και του dc συστήματος, με στόχο να αποτρέψει τη dc συνιστώσα να εισέλθει στο ac σύστημα. Ύπαρξη επαγωγικής αντίδρασης στην ac πλευρά, με σκοπό τη μείωση των ρευμάτων βραχυκύκλωσης καθώς και τον έλεγχο της αύξησης του ρεύματος στο μετατροπέα κατά τη μεταγωγή. Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει συνδεσμολογία μίας φάσης (single phase arrangement) ή συνδεσμολογία τριών φάσεων (three-phase arrangement). Έτσι, 50

51 λοιπόν, για έναν μετατροπέα 12-παλμών οι τυπικές συνδεσμολογίες των μετασχηματιστών μπορεί να είναι: έξι μετασχηματιστές 1-φάσης 2-τυλιγμάτων (single-phase two-winding), τρεις μετασχηματιστές 1-φάσης 3-τυλιγμάτων (singlephase three-winding), δύο μετασχηματιστές 3-φάσεων 2-τυλιγμάτων (three-phase two-winding) και ένας μετασχηματιστής 3-φάσεων 3-τυλιγμάτων (three-phase threewinding). Οι παραπάνω συνδεσμολογίες φαίνονται και στο σχήμα Σχήμα 3.15.: Τυπικές συνδεσμολογίες μετασχηματιστών μετατροπέων [39]. Η συνδεσμολογία του μετασχηματιστή εξαρτάται από τις απαιτήσεις για τάση, τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή, τις συνθήκες μεταφοράς καθώς και από τη διάταξη του σταθμού του μετατροπέα. Επιπλέον, ανάλογα με τη συνδεσμολογία που χρησιμοποιείται, αλλάζει και το βάρος του μετασχηματιστή. Παρακάτω δίνεται διάγραμμα που παρουσιάζει τα διάφορα βάρη των μετασχηματιστών ανάλογα με τη συνδεσμολογία τους (σχ ). Σχήμα 3.16.: Εύρος βάρους μετασχηματιστών για διάφορες συνδεσμολογίες μετασχηματιστών [40]. 51

52 Σε περιπτώσεις όπου έχουμε μεσαία ικανότητα φόρτισης και επίπεδο τάσης, συνήθως επιλέγεται μετασχηματιστής 3-φάσεων, με σκοπό να μειωθεί το υλικό που χρησιμοποιείται, η έκταση που είναι απαραίτητη για την εγκατάστασή του και οι απώλειες, κυρίως σε λειτουργία χωρίς φορτίο. Αντίστοιχα, σε λειτουργία με μεγάλη φόρτιση και σε υψηλή τάση, προτιμώνται μετασχηματιστές 1-φάσης, κυρίως χωρίς περιορισμούς στη μεταφορά. Όσον αφορά τις απώλειες του μετασχηματιστή, αυτές χωρίζονται σε δύο ομάδες, τις απώλειες υπό φορτίο και τις απώλειες σε αφόρτιστη λειτουργία. Οι απώλειες σε αφόρτιστη λειτουργία είναι συνάρτηση της εφαρμοζόμενης ac τάσης, ενώ οι απώλειες υπό φορτίο εξαρτώνται από το ρεύμα του φορτίου. Τέλος, κάποια χαρακτηριστικά που κάνουν έναν μετασχηματιστή μετατροπέα να διαφέρει από έναν τυπικό μετασχηματιστή ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος είναι τα εξής [41]: Το δευτερεύον του Μ/Σ αποτελείται από ένα σετ τυλιγμάτων σε συνδεσμολογία αστέρα και από ένα σετ σε συνδεσμολογία τριγώνου. Τα τυλίγματα του δευτερεύοντος υπόκεινται σε dc ανάστροφες τάσεις. Ο πυρήνας εκτίθεται σε μικρές ποσότητες dc ρεύματος και πρέπει να μπορεί να τις αντέξει. Η διαφορά ανάμεσα στις αντιδράσεις μεταξύ των φάσεων πρέπει να είναι μικρότερη του 5% ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΕΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ (SMOOTHING REACTORS) Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης συνήθως περιλαμβάνονται σε κάθε πόλο του σταθμού μετατροπής και συνδέονται σε σειρά στην έξοδο των μετατροπέων. Οι αυτεπαγωγές παρουσιάζουν κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά όπως τα παρακάτω : Εξομάλυνση του dc ρεύματος, με σκοπό την αποφυγή ασυνέχειας του ρεύματος σε χαμηλά επίπεδα μεταφοράς ισχύος. Μείωση της συχνότητας εμφάνισης σφαλμάτων μεταγωγής. Αποτελούν επιπρόσθετα τμήματα των dc φίλτρων που χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση των αρμονικών και την μείωση των παρεμβολών σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας. 52

53 Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης χωρίζονται σε ξηρού τύπου (dir/air-type) και σε ελαίου (oil-type). Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει μία ξηρού τύπου αυτεπαγωγή είναι τα εξής [39]: Η εγκατάστασή της γίνεται στην πλευρά της υψηλής τάσης και γι αυτό ως ενίσχυση μόνο μονωτήρες από πορσελάνη πρέπει να ληφθούν υπ όψιν, βελτιώνοντας έτσι την αξιοπιστία της μόνωσης. Από μόνη της αυτού του είδους η αυτεπαγωγή εξομάλυνσης δεν μπορεί να προκαλέσει ούτε πυρκαγιά ούτε περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Μόνο αναστροφή της πολικότητας της τάσης μπορεί να προκαλέσει φορτίσεις στους μονωτήρες που χρησιμοποιούνται σαν ενίσχυση. Εφόσον δεν υπάρχουν κατασκευές με πυρήνα από σίδηρο, φαινόμενα μαγνητικού κορεσμού δεν μπορούν να εμφανιστούν σε περιπτώσεις σφαλμάτων, διατηρώντας έτσι συνεχώς την ίδια αντίδραση. Αντίστοιχα, τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης ελαίου είναι τα παρακάτω: Λόγω της ύπαρξης κατασκευών με πυρήνα από σίδηρο, αυξάνεται η αντίδραση της αυτεπαγωγής. Αυτό το σύστημα μόνωσης είναι εύκολα υλοποιήσιμο πολύ αξιόπιστο. Η αυτεπαγωγή εξομάλυνσης ελαίου τοποθετείται στο έδαφος, προσφέροντας με αυτόν τον τρόπο πολύ καλή αντισεισμική απόδοση. Επίσης, ο μέσος όρος ζωής των αυτεπαγωγών ξηρού τύπου προσδιορίζεται στα 25 χρόνια, ενώ των αυτεπαγωγών ελαίου στα 35 χρόνια. Στην περίπτωση των αυτεπαγωγών ξηρού τύπου το προσδοκώμενο ζωής επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες της τοποθεσίας της εγκατάστασης. Τέλος, οι αυτεπαγωγές ελαίου είναι ακριβότερες και μικρότερες σε μέγεθος ΕΚΤΡΟΠΕΙΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ (HIGH VOLTAGE SURGE ARRESTORS) Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται σε μία HVDC εγκατάσταση εκτίθεται σε διαφόρων ειδών υπερτάσεις. Αυτές μπορεί να προκαλούνται είτε από κεραυνούς που προσβάλλουν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, είτε από χειρισμούς διακοπτών εντός του HVDC συστήματος, το οποίο περιλαμβάνει και τη διακοπτική λειτουργία των HVDC μετατροπέων. Επιπλέον, υπερτάσεις μπορεί να προκληθούν και από εσωτερικά η εξωτερικά σφάλματα που είναι πιθανό να συμβούν στο HVDC σύστημα [42]. Έτσι, λοιπόν, με σκοπό να προστατευθεί ο εξοπλισμός από τις πιθανές υπερτάσεις χρησιμοποιούνται εκτροπείς υπερτάσεων μέσα στο σύστημα. Βασικός στόχος των εκτροπέων είναι να μειώνεται η τάση κατά μήκος των συσκευών του εξοπλισμού και να διατηρείται αυτή σε επίπεδο χαμηλότερο από το βασικό επίπεδο μόνωσης του εξοπλισμού. Αυτό επιτυγχάνεται με την παράλληλη σύνδεση στα άκρα του εξοπλισμού, στοιχείων που έχουν εξαιρετικά μη-γραμμικές χαρακτηριστικές ρεύματος και τάσης. Σε αντίθεση με τους συνηθισμένους εκτροπείς, των οποίων η βαθμονόμηση βασίζεται στις υπερτάσεις από κεραυνούς, από διακοπές ή από προσωρινές υπερτάσεις, στην περίπτωση των εκτροπέων που χρησιμοποιούνται στα HVDC 53

54 συστήματα, η βαθμονόμηση γίνεται με βάση τις υπερτάσεις σε συνθήκες σφαλμάτων ή τις εσωτερικές υπερτάσεις. Υπάρχουν σήμερα στην αγορά δύο είδη εκτροπέων υπερτάσεων [42]: οι εκτροπείς πορσελάνης και οι πολυμερείς εκτροπείς. Βασική διαφορά αυτών των δύο εκτροπέων είναι η συμπεριφορά τους σε κατάσταση βραχυκυκλώματος. Ένας εκτροπέας πορσελάνης υπάρχει κίνδυνος να θρυμματιστεί σε περίπτωση που διέλθει μέσα από αυτόν μεγάλο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Αντίθετα, ένας πολυμερής εκτροπέας απλά παρουσιάζει στην επιφάνειά του σημάδια ότι έχει καεί. Επιπλέον, ένα άλλο πλεονέκτημά του είναι και οι αυξημένες μηχανικές αντοχές του, γι αυτό και χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις με υψηλή πιθανότητα σεισμού. Σε ένα HVDC σύστημα, εφόσον αυτό περιλαμβάνει στοιχεία εξοπλισμού διαφορετικής τάσης λειτουργίας, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται αντίστοιχα και διαφορετικοί εκτροπείς υπερτάσεων. Τα είδη των εκτροπέων που εμφανίζονται στον HVDC υποσταθμό δίνονται παρακάτω στον πίνακα 3.Α. Πίνακας 3.Α.: Είδη εκτροπέων υπερτάσεων σε HVDC υποσταθμό [42]. Επίσης, παρατίθεται και ένα μονογραμμικό διάγραμμα του HVDC υποσταθμού που δείχνει πού τοποθετούνται οι κατάλληλοι εκτροπείς (σχ ). Σχήμα 3.17.: Μονογραμμικό διάγραμμα HVDC υποσταθμού με τις κατάλληλες θέσεις των εκτροπέων υπερτάσεων. 54

55 Γενικά, για να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία των εκτροπέων πρέπει αυτοί να υπόκεινται σε ένα σύνολο ελέγχων. Υπάρχουν κάποιοι γενικοί έλεγχοι που πρέπει να γίνονται σε όλους τους εκτροπείς και πέρα από αυτό, ανάλογα με το σύστημα στο οποίο αυτοί χρησιμοποιούνται γίνονται και δευτερεύοντες έλεγχοι. Πιο συγκεκριμένα, σε έναν εκτροπέα που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα HVDC σύστημα οι επιπλέον ειδικές δοκιμές που πρέπει να γίνουν φαίνονται στον παρακάτω πίνακα 3.Β. Πίνακας 3.Β.: Πίνακας επιπρόσθετων ειδικών ελέγχων για εκτροπείς HVDC υποσταθμού ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (HVDC CONTROL) Το σύστημα ελέγχου ενός HVDC συστήματος μεταφοράς έχει ως κύριο στόχο τις εξής λειτουργίες [39]: Τον έλεγχο της έναρξης και της παύσης λειτουργίας του HVDC συστήματος. Τον έλεγχο της ικανότητας μεταφοράς ισχύος του συστήματος, καθώς και την κατεύθυνση της μεταφοράς ενέργειας. Τον έλεγχο των μη φυσιολογικών λειτουργιών των μετατροπέων και των διαταραχών που προκαλούνται από τη διασύνδεση των AC συστημάτων. Την προστασία των συσκευών σε περίπτωση εμφάνισης σφαλμάτων. Για να γίνει δυνατή η υλοποίηση των προαναφερθέντων λειτουργιών, το σύστημα ελέγχου χωρίζεται συνήθως σε τέσσερα μέρη που τοποθετούνται ιεραρχικά από το ανώτερο προς το κατώτερο. Αυτά είναι τα παρακάτω [39], [43]: 1. Συνολικό σύστημα ελέγχου [Overall System Control] Είναι το ανώτερο επίπεδο ελέγχου σε ένα HVDC σύστημα μεταφοράς και μέσα στις λειτουργίες του περιλαμβάνεται ο έλεγχος της αναστροφής της ροής ισχύος, όπως και ο έλεγχος και η σταθεροποίηση της συχνότητας του AC συστήματος. 2. Κύριος έλεγχος [Master (Bipole) Control] Αυτό το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιείται για να ελέγχει δύο πόλους ταυτόχρονα σε ένα διπολικό HVDC σύστημα μεταφοράς, με στόχο να συντονίζει και να ελέγχει τις διπολικές λειτουργίες μέσω εντολών. 3. Έλεγχος πόλων [Pole Control] Ο έλεγχος πόλων υπάρχει για τον έλεγχο ενός πόλου μόνο. Σε περίπτωση που έχουμε διπολικό HVDC σύστημα, εάν ο ένας πόλος απομονωθεί λόγω σφάλματος πρέπει ο άλλος πόλος να είναι σε θέση να λειτουργήσει ανεξάρτητα και να ολοκληρώνει τις βασικές λειτουργίες ελέγχου. Έτσι, λοιπόν, ένα σύστημα ελέγχου πόλου είναι τελείως ανεξάρτητο από τα υπόλοιπα και πρέπει να μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα. 4. Έλεγχος γέφυρας [Bridge (Converter) Control] Αυτό το επίπεδο ελέγχου είναι το κατώτερο και έχει ως σκοπό τον έλεγχο της γωνίας έναυσης των μετατροπέων. 55

56 Επίσης, στο σχήμα 3.18 δίνεται και ένα μπλοκ διάγραμμα της δομής των επιπέδων ελέγχου σε ένα HVDC σύστημα μεταφοράς. Σχήμα 3.18.: Μπλοκ-διάγραμμα της δομής των επιπέδων ελέγχου σε ένα HVDC σύστημα μεταφοράς [39]. 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΟ PSCAD 4.1. ΓΙΑΤΙ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΟΥΜΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Όταν οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται για διασύνδεση συνεχούς ρεύματος αντί για διασύνδεση εναλλασσόμενου ρεύματος, γίνεται γενικά από την οικονομική επιλογή που οδηγείται από έναν από τους ακόλουθους λόγους [44], [45]: 1. Μια εναέρια γραμμή συνεχούς ρεύματος με τους πύργους της μπορεί να σχεδιαστεί για να είναι λιγότερο δαπανηρή ανά μονάδα μήκους από μια ισοδύναμη γραμμή εναλλασσόμενου ρεύματος με σκοπό να διαβιβάσει το ίδιο επίπεδο ηλεκτρικής ενέργειας. Εντούτοις, οι σταθμοί DC μετατροπέων σε κάθε άκρο είναι δαπανηρότεροι από τους τερματικούς σταθμούς μιας γραμμής εναλλασσόμενου ρεύματος και έτσι υπάρχει μια απόσταση ισοσκέλισης επάνω από την οποία το συνολικό κόστος της συνεχούς διασύνδεσης είναι μικρότερο από την εναλλακτική λύση με διασύνδεση εναλλασσόμενου ρεύματός. Μια γραμμή συνεχούς ρεύματος μπορεί να έχει χαμηλότερο οπτικό προφίλ από μια ισοδύναμη γραμμή εναλλασσόμενου ρεύματος και συμβάλλει έτσι σε μια χαμηλότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Υπάρχουν άλλα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα σε μια γραμμή συνεχούς μετάδοσης μέσω του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου όντας με συνεχές ρεύμα αντί εναλλασσόμενου. 2. Εάν η μετάδοση γίνεται με υποβρύχιο ή υπόγειο καλώδιο, η απόσταση ισοσκέλισης είναι πολύ μικρότερη από ότι αν γινόταν με εναέριες γραμμές. Δεν είναι πρακτικό να χρησιμοποιήσουμε συστήματα καλωδίων εναλλασσόμενου ρεύματος που υπερβαίνουν τα 60 χλμ αλλά ήδη σήμερα υπάρχουν διασυνδέσεις συνεχούς ρεύματος των οποίων το μήκος είναι στις εκατοντάδες χιλιόμετρα και ακόμη και τις αποστάσεις 600 χλμ ή μεγαλύτερος έχει θεωρηθεί εφικτός αυτό ο τρόπος διασύνδεσης. 3. Μερικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος δεν είναι συγχρονισμένα με τα γειτονικά δίκτυα ακόμα κι αν οι φυσικές αποστάσεις μεταξύ τους είναι αρκετά μικρές. Αυτό εμφανίζεται στην Ιαπωνία όπου η μισή χώρα είναι ένα δίκτυο 60 Hz και η άλλη μισή είναι ένα σύστημα 50 Hz. Είναι φυσικά αδύνατο να συνδεθούν τα δύο δίκτυα μεταξύ τους με τις άμεσες μεθόδους εναλλασσόμενου ρεύματος προκειμένου να γίνει ανταλλαγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εντούτοις, εάν σε κάθε σύστημα υπάρχει ένας σταθμός με DC μετατροπείς και μια διασύνδεση συνεχούς ρεύματος ανάμεσα τους, είναι δυνατό να υπάρξει η απαραίτητη ροή ισχύος ακόμα κι αν τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος που συνδέονται έτσι παραμένουν ασύγχρονα. 57

58 4.2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Τα HVDC συστήματα μεταφοράς μπορούν να χωριστούν σε επιμέρους κατηγορίες, ανάλογα με το είδος της σύνδεσης των μετατροπέων και των υποσταθμών, από τα οποία αποτελούνται Βack-to-back διασύνδεση Ο τύπος αυτός χρησιμοποιείται στην περίπτωση όπου θέλουμε να συνδέσουμε δύο AC δίκτυα, τα οποία βρίσκονται στην ίδια τοποθεσία ή μέσα στον ίδιο υποσταθμό. Στην Βack-to-back διασύνδεση δεν χρησιμοποιείται γραμμή ή καλώδιο μεταφοράς ανάμεσα στους μετατροπείς [46]. Η χρήση αυτού του τύπου διασύνδεσης προτιμάται κυρίως όταν θέλουμε να συνδέσουμε δύο ασύγχρονα δίκτυα, όπως στην περίπτωση της Ιαπωνίας όπου έχουμε την σύνδεση δικτύων με συχνότητες 50Hz και 60Hz αντίστοιχα. Επίσης, η Βack-toback διασύνδεση χρησιμοποιείται και στην περίπτωση όπου τα δίκτυα που θέλουμε να συνδέσουμε έχουν διαφορετική φιλοσοφία στον τρόπο ελέγχου τους Μονοπολική διασύνδεση Αποτελεί τον πιο απλό και φθηνό τρόπος διασύνδεσης. Στην μονοπολική διασύνδεση οι δύο μετατροπείς συνδέονται με έναν μόνο αγωγό, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.1. Συνήθως, ως αγωγός επιστροφής χρησιμοποιείται η γη ή η θάλασσα. Υπάρχουν όμως και μερικές περιοχές, όπου οι συνθήκες δεν επιτρέπουν αυτού του είδους την επιστροφή. Τέτοιες είναι πυκνοκατοικημένες περιοχές ή περιοχές με υψηλή αντίσταση εδάφους. Έτσι, λοιπόν, σε αυτές τις περιπτώσεις έχουμε σαν επιστροφή έναν μεταλλικό αγωγό [47]. Σχήμα 4.1.: Μονοπολική διασύνδεση [48]. Οι κυριότερες ανησυχίες που υπάρχουν για αυτόν τον τρόπο διασύνδεσης οφείλονται στην πιθανότητα : - μέρος του ρεύματος επιστροφής να ρέει σε γειτονικούς μεταλλικούς αγωγούς, όπως σωλήνες ύδρευσης ή φυσικού αερίου, και με αυτόν τον τρόπο να προκαλέσει τη διάβρωσή τους. - το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται, μπορεί να επηρεάσει και να προκαλέσει διαταραχές σε ηλεκτρονικά συστήματα πλοήγησης πλοίων και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς και στους έμβιους οργανισμούς των γύρω περιοχών. 58

59 4.2.3 Διπολική διασύνδεση Είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη διασύνδεση και αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως στις περιπτώσεις όπου έχουμε συστήματα εναέριων γραμμών. Στην διπολική διασύνδεση συνδυάζονται δύο μονοπολικά συστήματα (σχ. 4.2.), άρα έχουμε τη χρήση δύο αγωγών, εκ των οποίων το ένα λειτουργεί με τάση θετικής πολικότητας και το άλλο με τάση αρνητικής πολικότητας. Σχήμα 4.2.: Διπολική διασύνδεση [48]. Παρόλο που το κόστος κατασκευής της διπολικής διασύνδεσης είναι μεγαλύτερο σε σχέση με τη μονοπολική, αυτή προσφέρει τα παρακάτω πλεονεκτήματα : - μείωση των απωλειών λόγω του ρεύματος επιστροφής και των επιδράσεων στο περιβάλλον. - σε περίπτωση σφάλματος στη μία γραμμή μπορούμε να εξακολουθούμε να έχουμε λειτουργία της σύνδεσης ως μονοπολική Διπολική διασύνδεση με χρήση της γης ως επιστροφή Αυτή είναι και η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη κατηγορία διασύνδεσης (σχ. 4.3.). Το σύστημα αυτό προσφέρει μία αυξημένη ελαστικότητα με σκοπό κυρίως, τη δυνατότητα λειτουργίας του και στις περιπτώσεις όπου έχουμε μειωμένη μεταφορική ικανότητα λόγω σφαλμάτων ή κατά τη διάρκεια της συντήρησης του. Σχήμα 4.3.: Διπολική διασύνδεση με χρήση της γης ως επιστροφή (Siemens). Σε περίπτωση σφάλματος στον ένα πόλο, μπορούμε να έχουμε τη λειτουργία του άλλου πόλου (σαν μονοπολική διασύνδεση), ο οποίος θα χρησιμοποιεί την γείωση ως επιστροφή και έτσι να καταφέρουμε να απομονώσουμε το σφάλμα. Όταν παρατηρείται σφάλμα σε κάποιον μετατροπέα του ενός πόλου, θα εξακολουθήσουμε να έχουμε όπως και πριν τη λειτουργία του δεύτερου πόλου σαν σε μονοπολική διασύνδεση. Σε αυτή όμως την περίπτωση, αντί να έχουμε ως επιστροφή 59

60 τη γη, χρησιμοποιούμε ως μεταλλική επιστροφή το καλώδιο του πόλου, στο μετατροπέα του οποίου εμφανίστηκε το σφάλμα Διπολική διασύνδεση με χρήση μεταλλικής επιστροφής Εάν υπάρχουν περιορισμοί σχετικά με τη χρήση της γης ως επιστροφή ή σε περίπτωση όπου η απόσταση μεταφοράς είναι σχετικά μικρή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αγωγός LVDC (Low Voltage DC) ως επιστροφή στην περίπτωση της μονοπολικής λειτουργίας [49] Πολυτερματικά συστήματα (Multi-Terminal, MTDC) Σε περίπτωση όπου τρεις ή περισσότεροι HVDC υποσταθμοί γεωγραφικά απομακρυσμένοι, συνδέονται μεταξύ τους με γραμμές μεταφοράς ή καλώδια, το HVDC σύστημα μεταφοράς θεωρείται πολυτερματικό (multi-terminal, ΜΤDC). Οι επιπλέον σταθμοί που υπάρχουν μπορούν να συνδέονται είτε παράλληλα με τους ήδη υπάρχοντες, οπότε έχουμε το παράλληλο πολυτερματικό σύστημα DC, είτε σε σειρά, οπότε το σύστημα είναι σειριακό πολυτερματικό σύστημα DC. Επιπλέον, στο παράλληλο πολυτερματικό σύστημα DC όλοι οι υποσταθμοί συνδέονται στη ίδια τάση και η σύνδεση μπορεί να γίνει είτε ακτινικά (parallelconnected radial MTDC), είτε σε πλέγμα (Parallel-connected mesh-type MTDC). Επιπροσθέτως, είναι δυνατός ο συνδυασμός ενός παράλληλου και ενός σειριακού ΜΤDC και τότε σε αυτήν την περίπτωση το σύστημα που προκύπτει καλείται υβριδικό πολυτερματικό DC. Τα αρχικά ΜΤDC συστήματα προέκυψαν από την επέκταση ήδη υπαρχόντων συμβατικών συστημάτων με δύο τερματικά ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΤΟΥ DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Το αναπόσπαστο τμήμα ενός HVDC μετατροπέα ισχύος είναι η βαλβίδα ή ο βραχίονας βαλβίδων. Μπορεί να είναι μη-ελέγξιμος εάν έχει κατασκευαστεί από μια ή περισσότερες διόδους ισχύος σε σειρά ή ελέγξιμος εάν αποτελείται από ένα ή περισσότερα θυρίστορς σε σειρά. Η τυποποιημένη σύνδεση γεφυρών ή μετατροπέων ορίζεται ως μια σύνδεση αμφίδρομη περιλαμβάνοντας έξι βαλβίδες ή βραχίονες βαλβίδων (εξαπαλμική) που συνδέονται όπως διευκρινίζονται παρακάτω [50]. 60

61 Σχήμα 4.5.: Βασικό εξαπαλμικό γκρουπ βαλβίδων με τον Μ/Σ του μετατροπέα σε ΥΥ σύνδεση. Η ηλεκτρική ισχύς που ρέει μεταξύ της HVDC ομάδας βαλβίδων και του συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος είναι τριφασική. Όταν η ισχύς ρέει από τις DC βαλβίδες προς το σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος τότε έχουμε λειτουργία ανορθωτή (rectifier). Εάν πάλι η ισχύς ρέει προς τις DC βαλβίδες από το σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος τότε θεωρούμε ότι έχουμε λειτουργία αντιστροφέα (inverter). Κάθε βαλβίδα αποτελείται από πολλά συνδεδεμένα σε σειρά θυρίστορς σε ενότητες θυρίστορ. Η εξαπαλμική ομάδα βαλβίδων ήταν συνηθισμένη όταν οι βαλβίδες ήταν τόξου υδραργύρου Δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς Σχεδόν όλοι οι HVDC μετατροπείς ισχύος με θυρίστορ στις βαλβίδες είναι συγκεντρωμένοι σε μια γέφυρα μετατροπέων δωδεκαπαλμικής διαμόρφωσης. Η πιο κοινή δωδεκαπλαμική διαμόρφωση είναι η χρήση δύο τριών μετασχηματιστών μετατροπέων φάσης με το ένα τύλιγμα στην DC πλευρά σε αγείωτη σύνδεση αστέρα και το άλλο σε δέλτα διαμόρφωση. Συνεπώς, οι τάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος που εφαρμόζονται σε καθεμία εξαπαλμική ομάδα βαλβίδων από τις οποίες αποτελείται ο δωδεκαπαλμικός μετατροπέας έχει μια διαφορά φάσης 30 μοιρών που χρησιμοποιείται για να ακυρώσει την 5η και 7 η αρμονική του ρεύματος στην AC πλευρά και την 6η αρμονική της τάσης στην DC πλευρά, με συνέπεια τη σημαντική αποταμίευση σε αρμονικά φίλτρα [51]. 61

62 Σχήμα 4.6.: (α)η δωδεκαπαλμική ομάδα βαλβίδων με δύο Μ/Σ μετατροπέων. Ο ένας σε ΥΥ σύνδεση και ο άλλος σε σύνδεση ΥΔ. (β)γραφικό σύμβολο δωδεκαπαλμικού μετατροπέα Το θυρίστορ Το εξάρτημα θυρίστορ είναι ημιαγωγός και επομένως κάποτε συμπεριφέρεται σαν καλός αγωγός και κάποτε σαν κακός αγωγός. Το εξάρτημα αυτό έχει τρεις ακροδέκτες, την άνοδο που συμβολίζεται με το Α και ενώνεται με θετική τάση, την κάθοδο που συμβολίζεται με το Κ και ενώνεται με αρνητική τάση και την πύλη που συμβολίζεται με το G και ενώνεται με την είσοδο μας στο κύκλωμα. Οι βασικές λειτουργίες του είναι σαν ηλεκτρικός διακόπτης και σαν ενισχυτής. Χαρακτηριστικό όμως της λειτουργίας του είναι ότι, όταν ενεργοποιηθεί και είναι σαν κλειστός διακόπτης και ενισχυτής παραμένει ενεργοποιημένος. Για να ενεργοποιηθεί το θυρίστορ πρέπει να έχουμε ρεύμα στην πύλη G και επομένως και τάση τουλάχιστον 1V. Όταν λοιπόν έχουμε μικρό ρεύμα στην πύλη του, τότε το θυρίστορ είναι σαν κλειστός διακόπτης και σαν ενισχυτής, με αποτέλεσμα να έχουμε και ενίσχυση του σήματος στην έξοδο. Όταν φτάσει και ενεργοποιηθεί το θυρίστορ παραμένει ενεργοποιημένο έστω και αν σταματήσω να έχω ρεύμα στην πύλη του. Για 62

63 να απενεργοποιηθεί χρειάζεται να διακοπεί η παροχή ρεύματος στην άνοδο του θυρίστορ με έναν ωστικό διακόπτη [52] ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΟΥ Ο κεντρικός εξοπλισμός ενός υποσταθμού συνεχούς ρεύματος είναι ο μετατροπέας αποτελούμενος από θυρίστορ και ο μετασχηματιστής του μετατροπέα. Μπορούν να διαμορφωθούν μονοπολικά ή διπολικά. Μερικά συστήματα με DC καλώδια έχουν μόνο έναν πόλο ή «μονοπολική» διαμόρφωση και μπορούν είτε να χρησιμοποιήσουν το έδαφος ως μονοπάτι επιστροφής όταν επιτρέπεται είτε χρησιμοποιούν ένα πρόσθετο καλώδιο για να αποφύγουν τα ρεύματα απ τη γη [53]. Τα αρμονικά φίλτρα απαιτούνται από την πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος και συνήθως από την DC πλευρά. Οι χαρακτηριστικές αρμονικές του ρεύματος στην AC πλευρά που παράγονται από εξαπαλμικούς μετατροπείς είναι 6n +/- 1 και 12n +/- 1 για τους δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς, όπου το n είναι ίσο με όλους τους θετικούς ακέραιους αριθμούς. Τα φίλτρα εναλλασσόμενου ρεύματος είναι χαρακτηριστικά συντονισμένα στις 11ες, 13ες, 23ες και 25ες αρμονικές για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς. Ο συντονισμός στις 5ες και 7ες αρμονικές απαιτείται εάν οι μετατροπείς πρόκειται να διαμορφωθούν στην εξαπαλμική λειτουργία. Τα αρμονικά φίλτρα εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να μεταστραφούν με τους διακόπτες ή τις αλλαγές κυκλωμάτων για να προσαρμοστούν στις στρατηγικές απαίτησης αέργου ισχύος δεδομένου ότι αυτά τα φίλτρα παράγουν την άεργο ισχύ στη θεμελιώδη συχνότητα. Μια παράλληλη ανάδραση δημιουργείται φυσικά μεταξύ της χωρητικότητας των φίλτρων εναλλασσόμενου ρεύματος και της επαγωγικής σύνθετης αντίστασης του συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος. Για την περίπτωση όπου μια τέτοια ανάδραση είναι ελαφριά μετριασμένη και συντονισμένη σε μια συχνότητα μεταξύ της 2ης και 4ης αρμονικής, τότε ένα χαμηλής τάξης αρμονικής φίλτρο στη 2η ή 3η αρμονική μπορεί να θεωρηθεί απαραίτητο, ακόμη και για τη λειτουργία με δωδεκαπαλμικό μετατροπέα. Οι χαρακτηριστικές αρμονικές τάσης στην DC πλευρά που παράγονται από έναν εξαπαλμικό μετατροπέα είναι της τάξης 6n και όταν παράγεται από έναν δωδεκαπαλμικό μετατροπέα είναι της τάξης 12n. Τα φίλτρα της DC πλευράς μειώνουν τη ροή των αρμονικών του ρεύματος στις γραμμές συνεχούς ρεύματος για να ελαχιστοποιήσουν τη σύζευξη και την παρέμβαση στα παρακείμενα επικοινωνιακά κυκλώματα. Όπου δεν υπάρχει καμία DC γραμμή, όπως στην Back-to-Back διαμόρφωση, τα φίλτρα στην DC πλευρά μπορεί να μην απαιτηθούν. 63

64 Σχήμα 4.8.: Σταθμός με back-to-back μετατροπέα στη Βιέννη. Οι DC αντιδράσεις συμπεριλαμβάνονται συνήθως σε κάθε πόλο ενός σταθμού μετατροπέων. Βοηθούν τα συνεχούς ρεύματος φίλτρα στο φιλτράρισμα των αρμονικών ρευμάτων και εξομαλύνουν το ρεύμα στην DC πλευρά έτσι ώστε να μη φτάσουμε ασυνεχή ροή ρεύματος σε λειτουργία με χαμηλό ρεύμα φορτίων. Επειδή ο ρυθμός αλλαγής του ρεύματος στην DC πλευρά περιορίζεται από την DC αντίδραση, η διαδικασία μεταγωγής του DC μετατροπέα γίνεται πιο σταθερή [54]. Οι διακόπτες σε κάθε βαλβίδα στη γέφυρα μετατροπέων, κατά μήκος κάθε γέφυρας μετατροπέων και στην DC και στην AC πλευρά διανομής συντονίζονται για να προστατεύσουν τον εξοπλισμό από όλες τις υπερτάσεις ανεξαρτήτως της πηγής τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις μεταβλητές εφαρμογές, όπως η προστασία φίλτρων. Οι σύγχρονοι HVDC υποσταθμοί χρησιμοποιούν διακόπτες μεταλλικών οξειδίων και η εκτίμηση και η επιλογή τους γίνεται με προσεκτικό σχεδιασμό συντονισμού μόνωσης ΜΕΤΑΓΩΓΗ (COMMUTATION) Η ανόρθωση ή η αντιστροφή για τους HVDC μετατροπείς ολοκληρώνεται μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως φυσική μεταγωγή ή μεταγωγή γραμμής (natural commutation ή line commutation). Οι βαλβίδες λειτουργούν σαν διακόπτες έτσι ώστε η τάση εναλλασσόμενου ρεύματος μεταστρέφεται διαδοχικά για να παρέχει πάντα μια συνεχή τάση. Με τη μεταγωγή γραμμής, η εναλλασσόμενη τάση τόσο στον ανορθωτή όσο και στον αντιστροφέα πρέπει να παρασχεθεί από τα δίκτυα εναλλασσόμενου 64

65 ρεύματος σε κάθε άκρο και πρέπει να είναι τριφασική και σχετικά χωρίς αρμονικές. Δεδομένου ότι κάθε βαλβίδα ανάβει, θα αρχίσει να άγει ρεύμα ενώ το ρεύμα αρχίζει να μειώνεται στο μηδέν στην επόμενη βαλβίδα ώστε να σβήσει. Η μεταγωγή είναι η διαδικασία μεταφοράς του ρεύματος μεταξύ δύο οποιωνδήποτε βαλβίδων του μετατροπέα, με τις δύο βαλβίδες να φέρουν ρεύμα ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας [55]. Εξετάζουμε τη διαδικασία ανόρθωσης. Κάθε βαλβίδα θα ενεργοποιηθεί όταν λάβει έναν παλμό έναυσης στην πύλη της και η τάση πόλωσης γίνει πιο θετική από την τάση πόλωσης της βαλβίδας που άγει. Η ροή του ρεύματος διαμέσου μιας βαλβίδας που άγει δεν αλλάζει στιγμιαία δεδομένου ότι αυτό μετάγεται σε μια άλλη βαλβίδα επειδή η μεταφορά γίνεται μέσω των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών. Η άεργη αντίσταση διαρροής των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών είναι επίσης η άεργη αντίσταση μεταγωγής εφ' όσον τα AC φίλτρα βρίσκονται στο πρωτεύον ή στην AC πλευρά του μετασχηματιστή του μετατροπέα. Η άεργη αντίσταση μεταγωγής στον ανορθωτή και στον αντιστροφέα παρουσιάζεται σαν μια ισοδύναμη αντίσταση XC στο παρακάτω σχήμα. Το άθροισμα όλων των ρευμάτων των βαλβίδων που μεταφέρονται στη DC πλευρά και μέσω του DC αντιστάτη είναι το συνεχές ρεύμα και αυτό είναι σχετικά επίπεδο λόγω της αυτεπαγωγής του d. αντιστάτη και του μετασχηματιστή του μετατροπέα. Σχήμα 4.9.: Κυματομορφές DC τάσης και ρεύματος σχετιζόμενες με τις γέφυρες του DC μετατροπέα. Στον αντιστροφέα, η τριφασική AC τάση που παρέχεται από το AC σύστημα παρέχει τους όρους προώθησης και αντιστροφής κάθε βαλβίδας στη γέφυρα του μετατροπέα για να επιτρέψει τη μεταγωγή του ρεύματος μεταξύ των βαλβίδων, όπως συμβαίνει και στον ανορθωτή. Η βαλβίδα του αντιστροφέα μπορεί να ενεργοποιηθεί 65

66 και να άγει μόνο όταν η θετική συνεχής τάση από την DC γραμμή είναι μεγαλύτερη από την πίσω αρνητική τάση που προέρχεται από την AC τάση μεταγωγής του AC συστήματος στον αντιστροφέα. Η αντιστροφή της ροής ισχύος σε μια σύνδεση μεταγωγής γραμμή δεν είναι δυνατή με την αντιστροφή της κατεύθυνσης του συνεχούς ρεύματος. Οι βαλβίδες θα επιτρέψουν την αγωγή προς μια κατεύθυνση μόνο. Η ροή ισχύος μπορεί μόνο να αντιστραφεί σε γέφυρες ενός DC μετατροπέα μεταγωγής γραμμής με την αλλαγή της πολικότητας της συνεχούς τάσης. Η διπλή λειτουργία των γεφυρών είτε ως ανορθωτών είτε ως αντιστροφέων επιτυγχάνεται μέσω του ελέγχου των παλμών έναυσης του δικτύου Οι γωνίες της γέφυρας του μετατροπέα Αυτές οι γωνίες υπολογίζονται σχετικά με τις τριφασικές τάσεις στην πλευρά των διακοπτών και είναι βασισμένες σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης με μια αρμονικά ελεύθερη και εξιδανικευμένη τριφασική τάση. Ισχύουν και για τους αντιστροφείς και για τους ανορθωτές. Γωνία α έναυσης ή καθυστέρησης: Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από το μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης στην αρχική στιγμή της θετικής αγωγής ρεύματος. Αυτή η γωνία ελέγχεται από την πηγή παλμών πύλης και εάν είναι μικρότερη από 90 ο, η γέφυρα μετατροπέων είναι ένας ανορθωτής και εάν είναι μεγαλύτερη από 90 ο, είναι ένας αντιστροφέας. Αυτή η γωνία αναφέρεται συχνά ως γωνία πυροδότησης. Γωνία β προόδου: Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από την αρχική στιγμή της θετικής αγωγής ρεύματος στο επόμενο μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης. Η γωνία της προόδου β σχετίζεται με τη γωνία α ως εξής: β=180 ο -α. Γωνία μ επικάλυψης: Η διάρκεια της μετατροπής μεταξύ δύο διακοπτών, που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο. Γωνία εξάλειψης γ ή σβέσης: Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από το τέλος της τρέχουσας αγωγής στο επόμενο μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης. Η γ εξαρτάται από τη γωνία της προόδου β και τη γωνία επικάλυψης μ και καθορίζεται από τη σχέση: γ=β-μ. 66

67 Σχήμα 4.10.: Γέφυρα μετατροπέων σε PSCAD/EMTDC. Οι ελεγκτές πυροδότησης των βαλβίδων οργανώνονται εσωτερικά με έναν ταλαντωτή με κλείδωμα φάσης. Τα σήματα ελέγχου εισόδου είναι η γωνία πυροδότησης α (σε ακτίνια) και το σήμα συγκράτησης παλμών KB (0 ή 1, 0 για να εμποδίσει, 1 για να απελευθερώσει) Εξισώσεις DC μετατροπέων σταθερής κατάστασης Είναι χρήσιμο να εκφραστεί η άεργη αντίσταση μεταγωγής μιας εξαπαλμικής γέφυρας μετατροπέων στην ανά μονάδα SN των μετασχηματιστών μετατροπέων. Το μέγεθος IdN είναι το ονομαστικό συνεχές ρεύμα και UVN είναι η ονομαστική φασική τάση στη βαλβίδα ή στο δευτερεύον του μετασχηματιστή μετατροπέων. Συνήθως η ισχύς στη γέφυρα του DC μετατροπέα είναι γνωστή από το ρεύμα IdN και την τάση UdN. Ο σχεδιασμός της βαλβίδας και της γέφυρας μετατροπέων εξαρτάται πολύ από την άεργη αντίσταση μεταγωγής XC και συνεπώς η αξία της είναι προκαθορισμένη και γνωστή. Στις σύγχρονες γέφυρες HVDC μετατροπέων, είναι συνήθως μεταξύ 0.1<XC<0.15 σε ανά μονάδα τιμή, όπου 1.0 ανά μονάδα είναι. Μια καλή προσέγγιση για το συντελεστή ισχύος ( ) μιας γέφυρας μετατροπέων στον AC ζυγό μεταγωγής δίνεται παρακάτω. Η γωνία καθυστέρησης α είναι συνήθως γνωστή ή καθορισμένη. Παραδείγματος χάριν, η ονομαστική σταθερή κατάσταση της γωνίας καθυστέρησης για έναν ανορθωτή μπορεί να είναι 10 < α <18 και ο χαμηλότερος λειτουργικός παράγοντας ισχύος θα είναι όταν α = 18. Στον ανορθωτή: και στον αντιστροφέα: 67

68 όπου Id είναι το DC ρεύμα του φορτίου, IdN είναι το ονομαστικό DC ρεύμα και q είναι η γωνία του παράγοντα ισχύος. Για τον αντιστροφέα, η ονομαστική γωνία εξάλειψης είναι προκαθορισμένη από το σχεδιασμό της γέφυρας μετατροπέα, συνήθως γ=18 ο. Όπου είναι το συνεχές ρεύμα λειτουργίας και Ud είναι η συνεχής τάση λειτουργίας της γέφυρας μετατροπέα.. Η ροή ισχύος σε μια γέφυρα μετατροπέων καθορίζεται θέτοντας μηδενικές απώλειες. Οι απαιτήσεις σε άεργο ισχύ για μια γέφυρα μετατροπέων είναι πάντα επαγωγικές και εξαρτάται από τη γωνία του συντελεστή ισχύος θ και την ισχύ. Η ονομαστική φασική τάση στη βαλβίδα ή στο δευτερεύον του μετασχηματιστή του μετατροπέα δεν είναι γνωστή. Είναι δυνατό να υπολογιστεί τι πρέπει να γίνει εάν ο συντελεστής ισχύος Cos(θ) στη γέφυρα μετατροπέα είναι γνωστός και του οποίου η ονομαστική DC τάση είναι. Κατόπιν μια καλή εκτίμηση της μπορεί να καθοριστεί. Αφού πλέον η είναι γνωστή, είναι δυνατό να βρεθεί η ονομαστική του μετασχηματιστή του μετατροπέα. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας μιας γέφυρας μετατροπέων, ο διακόπτης αλλαγής (Tap Changer) του μετασχηματιστή του μετατροπέα θα ρυθμιστεί για να διατηρήσει τη γωνία καθυστέρησης α σε έναν ανορθωτή στην επιθυμητή τιμή λειτουργίας του. Ομοίως, στον αντιστροφέα, ο tap changer θα ρυθμιστεί για να διατηρήσει τη λειτουργία του αντιστροφέα σε επιθυμητό επίπεδό της DC τάσης του ή της γωνίας εξάλειψης γ. Ξέροντας τα επιθυμητά επίπεδα της DC τάσης ( ), του DC ρεύματος, τον ονομαστικό λόγο σπειρών του μετασχηματιστή μετατροπέα, το επίπεδο λειτουργίας της AC τάσης στην πλευρά του πρωτεύοντος, και τη γωνία εξάλειψης γ (εάν είναι αντιστροφέας) ή τη γωνία καθυστέρησης α (εάν είναι ανορθωτής), ο ανά-μονάδα λόγος σπειρών του μετασχηματιστή μετατροπέων μπορεί να καθοριστεί [56]. Μπορεί να είναι απαραίτητο να καθοριστεί η γωνία επικάλυψης μ. Στον ανορθωτή, μια κατά προσέγγιση έκφραση μπορεί να εφαρμοστεί όταν είναι γνωστές η γωνία καθυστέρησης α, η ανά-μονάδα άεργη αντίσταση μεταγωγής και το ρεύμα φορτίου. Ομοίως στον αντιστροφέα, η γωνία εξάλειψης γ είναι συνήθως γνωστή για τη λειτουργία σταθερού κατάστασης και μια παρόμοια έκφραση που περιλαμβάνει τη γωνία μ μπορεί να καθοριστεί. Η γωνία καθυστέρησης α στον αντιστροφέα μπορεί να μην είναι πάντα γνωστή, αλλά μόλις καθοριστούν η γωνία εξάλειψης γ και η γωνία επικάλυψης μ, η γωνία α μπορεί εύκολα να παραχθεί από τη σχέση α= (γ + μ). Είναι επίσης δυνατό να καθοριστεί ο ονομαστικός λόγος σπειρών του μετασχηματιστή του μετατροπέα μόλις η ονομαστική τάση στο δευτερεύον (στην 68

69 DC πλευρά) γίνει γνωστή και αν η φασική AC τάση ζυγού στο πρωτεύον γίνει επίσης γνωστή. Με τη βοήθεια των φασικών τάσεων, ο ονομαστικός λόγος σπειρών του μετασχηματιστή του μετατροπέα μπορεί επίσης να καθοριστεί από την παρακάτω σχέση:. Αυτές οι εξισώσεις είναι σχετικά ακριβείς εκφράσεις που καθορίζουν την κατάσταση μιας εξαπαλμικής γέφυρας μετατροπέων σε ιδανικές συνθήκες. Για να καθορίσουμε την απόδοση και τη λειτουργία μιας γέφυρας μετατροπέων σε δυναμικές ή μεταβατικές καταστάσεις είναι απαραίτητη η χρήση του PSCAD/EMTDC που έχει την ικανότητα σχεδιασμού των βαλβίδων, του μετασχηματιστή μετατροπέων, του συστήματος ελέγχου, των παλμών έναυσης στις βαλβίδες, και των σχετικών δικτύων εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος Λόγος βραχυκύκλωσης (Short Circuit Ratio) Η ισχύς του AC δικτύου στο ζυγό του HVDC υποσταθμού μπορεί να εκφραστεί από το λόγο βραχυκύκλωσης (SCR), που ορίζεται ως η σχέση μεταξύ του βαθμού βραχυκυκλώματος σε MVA στο ζυγό του HVDC υποσταθμού για AC τάση 1.0 perunit και της DC ισχύος σε MW. Οι παράλληλοι πυκνωτές και τα φίλτρα εναλλασσόμενου ρεύματος που συνδέονται με τον AC ζυγό μειώνουν το επίπεδο βραχυκυκλώματος. Η έκφραση «αποτελεσματικός λόγος βραχυκύκλωσης (ESCR)» χρησιμοποιείται για το λόγο μεταξύ του επιπέδου βραχυκυκλώματος που μειώνεται από την άεργο ισχύ των παράλληλων πυκνωτών και των AC φίλτρων που συνδέονται με τον AC ζυγό σε τάση 1.0 per-unit και την ονομαστική DC ισχύ [53]. Χαμηλότερο ESCR ή SCR σημαίνει την εντονότερη αλληλεπίδραση μεταξύ του HVDC υποσταθμού και του AC. Τα δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες σύμφωνα με την ισχύ: Ισχυρά δίκτυα: -ESCR > 3.0 Δίκτυα με χαμηλό SCR: -3.0 > ESCR > 2.0 Ασθενή δίκτυα με πολύ χαμηλό SCR: -ESCR < 2.0. Στην περίπτωση των συστημάτων με χαμηλό ESCR, αλλαγές στην ενεργό/άεργο ισχύ από τον HVDC υποσταθμό οδηγούν σε μικρές ή μέτριες αλλαγές της AC τάσης. Επομένως, ο πρόσθετος έλεγχος της μεταβατικής τάσης στο ζυγό τροφοδότησης δεν είναι πάντα 69

70 απαραίτητος. Η ισορροπία αέργου ισχύος μεταξύ του AC δικτύου και του HVDC υποσταθμού μπορεί να επιτευχθεί από διακοπτικά στοιχεία αέργου ισχύος. Στην περίπτωση συστημάτων με χαμηλό και πολύ χαμηλό ESCR, οι αλλαγές στο AC δίκτυο ή στην ισχύ της HVDC διασύνδεσης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ταλαντώσεις της τάσης και στην ανάγκη για πρόσθετες στρατηγικές ελέγχου. Ο δυναμικός έλεγχος της αέργου ισχύος στον AC ζυγό κοντά στον HVDC υποσταθμό από κάποιο είδος ελεγκτή αέργου ισχύος που βασίζεται στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, όπως ένας στατικός VAR αντισταθμιστής (SVC) ή ο στατικός σύγχρονος αντισταθμιστής (STATCOM), μπορεί να είναι απαραίτητος. Παλιότερα, ο δυναμικός έλεγχος αέργου ισχύος επιτυγχανόταν με τους σύγχρονους αντισταθμιστές Αποτυχία μεταγωγής Όταν μια γέφυρα μετατροπέων λειτουργεί ως αντιστροφέας όπως συμβαίνει στο λαμβάνον άκρο μιας σύνδεσης συνεχούς ρεύματος, μια βαλβίδα θα απενεργοποιηθεί όταν το ρεύμα ανόδου μετάγεται στο μηδέν και η τάση στη βαλβίδα παραμένει αρνητική. Η περίοδος για την οποία η βαλβίδα παραμένει αρνητικά πολωμένη είναι η γωνία εξάλειψης γ, η διάρκεια πέρα από την οποία η βαλβίδα γίνεται προς τα εμπρός πολωμένη. Χωρίς έναν παλμό έναυσης η βαλβίδα θα εξακολουθεί να μην άγει ή θα παραμένει μπλοκαρισμένη, ακόμα κι αν είναι προς τα εμπρός πολωμένη. Όλες οι DC βαλβίδες απαιτούν την αφαίρεση των εσωτερικών αποθηκευμένων φορτίων που παράγονται κατά τη διάρκεια της περιόδου που έχουμε αγωγή προς τα εμπρός (που καθορίζεται από την περίοδο α + μ στον αντιστροφέα) προτού η βαλβίδα να μπορέσει να σταθεροποιήσει την ικανότητά της να μπλοκάρει μια προς τα εμπρός πόλωση. Ο DC αντιστροφέας επομένως απαιτεί μια ελάχιστη περίοδο αρνητικής πόλωσης ή ελάχιστης γωνίας εξάλειψης γ για να επιτευχθεί προς τα εμπρός μπλοκάρισμα. Εάν το προς τα εμπρός μπλοκάρισμα αποτύχει και η αγωγή αρχίζει χωρίς παλμό έναυσης, η αποτυχία μεταγωγής εμφανίζεται. Αυτό οδηγεί επίσης σε μια άμεση αποτυχία να διατηρηθεί το ρεύμα στο φορτισμένο βραχίονα του μετατροπέα καθώς το ρεύμα της DC γραμμής επιστρέφει στη βαλβίδα που ήταν πριν σε κατάσταση αγωγής και η οποία έχει αποτύχει να στηρίξει το προς τα εμπρός μπλοκάρισμα. Αποτυχία μεταγωγής σε μια γέφυρα μετατροπέα που λειτουργεί σαν αντιστροφέας προκαλείται από τους ακόλουθους λόγους [55]: 1. Όταν το συνεχές ρεύμα που εισέρχεται στον αντιστροφέα δέχεται μια αύξηση στο μέγεθος του που οδηγεί στην αύξηση της γωνίας επικάλυψης μ, η γωνία εξάλειψης γ μειώνεται και μπορεί να φθάσει στο σημείο όπου η βαλβίδα είναι ανίκανη να διατηρήσει το προς τα εμπρός μπλοκάρισμα. Η αύξηση της αυτεπαγωγής της πορείας του συνεχούς ρεύματος μέσω του μετατροπέα με τη 70

71 βοήθεια της DC αντίδρασης εξομάλυνσης και της άεργης αντίστασης μεταγωγής μειώνει το ποσοστό αλλαγής του συνεχούς ρεύματος. Αυτό έχει τη μέγιστη επίδραση στην έναρξη της αποτυχίας μεταγωγής. 2. Όταν το εύρος της τάσης στην AC πλευρά σε μια ή περισσότερες φάσεις μειώνεται οδηγώντας στην ανεπάρκεια της γωνίας εξάλειψης, καθώς γίνεται προσπάθεια μεταγωγής. 3. Μια μετατόπιση γωνίας φάσης στην AC τάση μεταγωγής μπορεί να προκαλέσει την αποτυχία μεταγωγής. Εντούτοις, η μείωση του εύρους της AC τάσης και όχι η αντίστοιχη μετατόπιση φάσης είναι ο κυρίαρχος παράγοντας που καθορίζει την έναρξη της αποτυχίας μεταγωγής για μονοφασικά σφάλματα. 4. Η τιμή της γωνίας εξάλειψης γ πριν τη διαταραχή επίσης επηρεάζει την ευαισθησία του αντιστροφέα σε αποτυχία μεταγωγής. Μια τιμή γ = 18 είναι συνηθισμένη για τους περισσότερους αντιστροφείς. Η αύξηση της γ σε τιμές της τάξης των 25, 30 ή υψηλότερες θα μειώσει την πιθανότητα της αποτυχίας μετατροπής (με κόστος να αυξηθούν οι απαιτήσεις σε άεργο ισχύ από τον αντιστροφέα). 5. Η τιμή του ρεύματος βαλβίδων πριν από την αποτυχία μεταγωγής επηρεάζει επίσης τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορεί να εμφανιστεί αυτή η αποτυχία. Μια αποτυχία μετατροπής μπορεί να συμβεί ευκολότερα εάν το ρεύμα πριν τη διαταραχή είναι στο πλήρες φορτίο έναντι της λειτουργίας μικρών φορτίων. Γενικά όσο πιο σταθερή είναι η AC τάση που τροφοδοτεί τον αντιστροφέα και με την απουσία διαταραχών στο AC σύστημα, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα να υπάρξει αποτυχία μεταγωγής ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Τα συστήματα HVDC διασύνδεσης πρέπει να μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας και αυτό μπορεί μόνο να ολοκληρωθεί υπό στενά ελεγχόμενες συνθήκες. Το συνεχές ρεύμα και η τάση ελέγχονται με μεγάλη ακρίβεια για να επιδράσουν στην επιθυμητή μεταφορά ισχύος. Είναι απαραίτητο επομένως συνεχώς και με ακρίβεια να μετράμε τις ποσότητες του συστήματος σε κάθε γέφυρα μετατροπέα, και οι οποίες είναι το συνεχές ρεύμα, η συνεχής τάση, η γωνία καθυστέρησης α και για έναν αναστροφέα, η γωνία εξάλειψής γ. Δύο τερματικά συστήματα DC διασύνδεσης είναι τα πιο συνηθισμένα και έχουν από κοινού έναν προτιμημένο τρόπο ελέγχου κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας. Σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης, στον αντιστροφέα ορίζεται ο στόχος του ελέγχου της DC τάσης. Αυτό μπορεί να συμβεί με τη διατήρηση μιας σταθερής γωνίας εξάλειψης γ προκαλώντας την πτώση της DC τάσης Ud με την αύξηση του συνεχούς ρεύματος Id, όπως φαίνεται στη χαρακτηριστική της ελάχιστης σταθερής 71

72 γωνίας εξάλειψης γ (A-B-C-D). Όσο πιο ασθενές το AC σύστημα στον αντιστροφέα, τόσο πιο απότομη η μείωση. Σχήμα 4.11.: Χαρακτηριστικές Ud-Id σταθερής κατάστασης για ένα διτερματικό HVDC σύστημα. Εναλλακτικά, ο αναστροφέας λειτουργεί συνήθως σε μια μορφή ελέγχου συνεχούς τάσης που είναι η χαρακτηριστική B-H-E της σταθεράς Ud. Αυτό σημαίνει ότι η γωνία εξάλειψης γ πρέπει να αυξηθεί πέρα από την ελάχιστη ρύθμιση των 18. Εάν ο αντιστροφέας λειτουργεί σε μια ελάχιστη σταθερά γ ή χαρακτηριστική Ud, ο ανορθωτής πρέπει να ελέγχει το συνεχές ρεύμα Id. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο εφ' όσον η γωνία καθυστέρησης α δε βρίσκεται στο ελάχιστο όριό της (συνήθως 5 ). Η χαρακτηριστική της σταθεράς του ρεύματος σε σταθερή κατάσταση του ανορθωτή είναι το κάθετο τμήμα Q-C-H-R. Εκεί που οι χαρακτηριστικές του ανορθωτή και του αντιστροφέα συναντώνται, στα σημεία C είτε H, είναι το σημείο λειτουργίας του HVDC συστήματος. 72

73 Σχήμα 4.12.: Ελεγκτές ρεύματος του ανορθωτή. Το σημείο λειτουργίας επιτυγχάνεται από τη δράση των σε απευθείας σύνδεση tap changers των μετασχηματιστών μετατροπέων. Ο αντιστροφέας πρέπει να σταθεροποιήσει τη σταθερά της τάσης με τη ρύθμιση του tap changer του για να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο λειτουργίας εάν είμαστε σε έλεγχο της ελάχιστης γ. Εάν είμαστε σε έλεγχο, ο tap changer πρέπει να ρυθμίσει τo διακόπτη του για να επιτρέψουμε στη να φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο με μια γωνία εξάλειψης ίση ή ελαφρώς μεγαλύτερη από την ελάχιστη ρύθμιση 18. Οι απευθείας διακόπτες εναλλαγής στους μετασχηματιστές μετατροπέων του ανορθωτή ελέγχονται για να ρυθμίσουν τις παραμέτρους των διακοπτών τους έτσι ώστε η γωνία καθυστέρησης α να έχει εύρος λειτουργίας 10 και 15 για τη διατήρηση της σταθεράς ρεύματος. Εάν ο αντιστροφέας λειτουργεί σε συνεχούς τάσης στο σημείο λειτουργίας Η, και εάν το αυξάνεται έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας Η να κινηθεί προς και πέρα από το σημείο Β, ο τρόπος ελέγχου του αναστροφέα θα επανέλθει σε έλεγχο της γωνίας εξάλειψης γ και θα λειτουργεί στην χαρακτηριστική Α-Β. Η συνεχής τάση θα είναι μικρότερη από την επιθυμητή τιμή, και έτσι ο tap changer του μετασχηματιστή στον αντιστροφέα θα αυξήσει την τάση στην DC πλευρά έως ότου συνεχιστεί ο έλεγχος συνεχούς τάσης. 73

74 Σχήμα 4.13.: Ελεγκτές της γωνίας γ στον αντιστροφέα. Δεν έχουν όλοι οι ελεγκτές ενός συστήματος HVDC διασύνδεσης έλεγχο της συνεχούς τάσης, όπως φαίνεται από την οριζόντια χαρακτηριστική Β-Η-Ε. Αντ αυτού ο ελεγκτής της γωνίας εξάλειψης γ της χαρακτηριστικής A-B-C-D και ο διακόπτης εναλλαγής θα πραγματοποιήσουν τον έλεγχο της συνεχούς τάσης Περιθώριο κέρδους (current margin) Το σήμα συνεχούς ρεύματος στέλνεται και στον ανορθωτή και στον αντιστροφέα. Είναι σύνηθες να αφαιρείται μια μικρή ποσότητα του σήματος του ρεύματος από το που στέλνεται στον αντιστροφέα. Αυτό είναι γνωστό ως περιθώριο κέρδους. Ο αντιστροφέας έχει επίσης έναν ελεγκτή ρεύματος και προσπαθεί να ελέγξει το DC ρεύμα Id στην τιμή - αλλά ο ελεγκτής ρεύματος στον ανορθωτή συνήθως τον παρακάμπτει για να διατηρήσει το συνεχές ρεύμα σε. Αυτή η απόκλιση επιλύεται στον αντιστροφέα σε κανονική λειτουργία σταθερής κατάστασης καθώς ο ελεγκτής ρεύματος δεν είναι ικανός να διατηρήσει το συνεχές ρεύμα την επιθυμητή τιμή του - και αναγκάζεται να βγει εκτός λειτουργίας. Ο ελεγκτής ρεύματος στον αντιστροφέα ενεργοποιείται μόνο όταν παύει ο ελεγκτής ρεύματος στον ανορθωτή, όταν η γωνία καθυστέρησής α καθηλώνεται στο ελάχιστο όριο της γωνίας καθυστέρησής. Αυτό παρατηρείται εύκολα στις χαρακτηριστικές λειτουργίας όπου το ελάχιστο όριο γωνίας καθυστέρησης στον ανορθωτή είναι η χαρακτηριστικό P-Q. Εάν για κάποιους λόγους, όπως μια χαμηλή AC τάση μεταγωγής στο άκρο του ανορθωτή, η P-Q 74

75 χαρακτηριστική πέσει κάτω από τα σημεία D ή Ε, το σημείο λειτουργίας θα μετατοπιστεί από το σημείο Η κάπου στην κάθετη χαρακτηριστική D-E-F, όπου κόβεται από τη χαμηλωμένη χαρακτηριστική P-Q. Ο αντιστροφέας επανέρχεται στον έλεγχο ρεύματος, ελέγχοντας το συνεχές ρεύμα στην τιμή - και ο ανορθωτής ελέγχει αποτελεσματικά τη συνεχή τάση εφ' όσον λειτουργεί στην ελάχιστη γωνία καθυστέρησης της χαρακτηριστικής P-Q. Οι ελεγκτές μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε η μετάβαση από τον έλεγχο ρεύματος από τον ανορθωτή στον αντιστροφέα να είναι αυτόματη και ομαλή. Σχήμα 4.14.: Ελεγκτές ρεύματος του αντιστροφέα VOLTAGE DEPENDENT CURRENT ORDER LIMIT (VDCOL) Κατά τη διάρκεια των διαταραχών όπου η AC τάση στον ανορθωτή ή στον αντιστροφέα είναι περιορισμένη, δεν θα είναι χρήσιμο σε ένα ασθενές AC σύστημα να προσπαθεί το σύστημα HVDC διασύνδεσης να διατηρήσει το ρεύμα πλήρους φορτίου. Μια πτώση στην AC τάση σε κάθε άκρο θα οδηγήσει επίσης σε χαμηλότερη 75

76 συνεχή τάση. Οι χαρακτηριστικές του DC ελέγχου που παρουσιάστηκαν προηγουμένως δείχνουν ότι το συνεχές ρεύμα μειώνεται εάν μειώνεται και η συνεχής τάση. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στη χαρακτηριστική R-S-T του ανορθωτή και στην χαρακτηριστική F-G του αντιστροφέα. Ο ελεγκτής που μειώνει τη μέγιστη τιμή του ρεύματος είναι γνωστός ως voltage dependent current order limit ή VDCOL (μερικές φορές και ως VDCL). Ο έλεγχος VDCOL, εάν δεχτεί μια διαταραχή του AC συστήματος θα διατηρήσει το DC ρεύμα Id στο χαμηλότερο όριο κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης που βοηθά την αντίστοιχη αποκατάσταση του DC συστήματος. Μόνο όταν η DC τάση έχει αποκατασταθεί σε ικανοποιητικό επίπεδο, το συνεχές ρεύμα θα επιστρέψει στην αρχική τιμή. Σχήμα 4.13.: Τροποποίηση της διάταξης του ρεύματος με τον VDCOL Έλεγχος AC τάσης Είναι επιθυμητό να διατηρηθεί σταθερό το AC σύστημα και η τάση μεταγωγής σε μια σταθερή τιμή για την καλύτερη λειτουργία του HVDC συστήματος μεταφοράς. Αυτό επιτυγχάνεται ευκολότερα όταν ο λόγος βραχυκύκλωσης είναι υψηλός. Στα συστήματα με χαμηλό ή πολύ χαμηλό λόγο βραχυκύκλωσης, μπορεί να προκύψουν δυσκολίες μετά από τις αλλαγές φορτίων. Με τη γρήγορη παραλλαγή φορτίων, μπορεί να υπάρξει περίσσια ή ανεπάρκεια αέργου ισχύος στον AC ζυγό μεταγωγής που οδηγεί σε υπερτάσεις και υποτάσεις. Όταν το AC σύστημα είναι ασθενές, οι αλλαγές στην AC τάση ζυγού του μετατροπέα μετά από μια διαταραχή 76

77 μπορεί να είναι πέρα από τα επιτρεπτά όρια. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ένας ελεγκτής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος απαιτείται για τους ακόλουθους λόγους: 1. Για να περιορίσουμε τις δυναμικές και τις μεταβατικές υπερτάσεις στα επιτρεπτά όρια που ορίζονται από τις προδιαγραφές και τα πρότυπα του εξοπλισμού του υποσταθμού. 2. Για να αποτρέψουμε τα σκαμπανεβάσματα της AC τάσης και την αποτυχία μεταγωγής σε διακυμάνσεις της AC τάσης κατά την ενεργοποίηση φίλτρων και φορτίων. 3. Για να ενισχύσουμε την επαναφορά του συστήματος HVDC διασύνδεσης μετά από σοβαρές διαταραχές του AC συστήματος. 4. Για να αποφύγουμε την αστάθεια του συστήματος ελέγχου, ιδιαίτερα όταν λειτουργεί σε έλεγχο της γωνίας εξάλειψης στον αντιστροφέα. Ο σύγχρονος αντισταθμιστής είναι η προτιμώμενη λύση για έλεγχο της AC τάσης, καθώς αυξάνει το λόγο βραχυκύκλωσης και λειτουργεί σαν μια μεταβλητή πηγή αέργου ισχύος. Τα μειονεκτήματά του είναι οι υψηλές απώλειες και συντήρηση που αυξάνουν το συνολικό κόστος. Υπάρχουν επιπλέον λύσεις για έλεγχο της AC τάσης και είναι οι ακόλουθες: 1. Στατικοί αντισταθμιστές που χρησιμοποιούν θυρίστορς για να ελέγχουν το ρεύμα μέσω επαγωγών και ενεργοποιήσεων και απενεργοποιήσεων πολλών πυκνωτών. Μ αυτό τον τρόπο, υπάρχει η δυνατότητα για γρήγορο έλεγχο της αέργου ισχύος για να διατηρήσουμε την AC τάση στα επιθυμητά επίπεδα. Το κύριο μειονέκτημα είναι ότι δεν προσθέτει στον λόγο βραχυκύκλωσης. 2. Ο έλεγχος μετατροπέων μέσω του ελέγχου της γωνίας καθυστέρησης είναι δυνατό να ρυθμίσει την απαίτηση σε άεργο ισχύ της γέφυρας μετατροπέα. Αυτό απαιτεί η μετρούμενη AC τάση να χρησιμοποιείται σαν σήμα ανατροφοδότησης στους DC ελέγχους, και η γωνία καθυστέρησης α είναι περιοδικά διαμορφωμένη για να ρυθμίζει την AC τάση μεταγωγής του ζυγού. Αυτή η μορφή ελέγχου είναι περιορισμένη στην αποτελεσματικότητά της, ιδιαίτερα όταν υπάρχει λίγο ή καθόλου συνεχές ρεύμα στο μετατροπέα, όταν απαιτείται έλεγχος τάσης. 3. Χρήση ειδικών βαρίστορς μεταλλικών οξειδίων (metal oxide varistors) μαζί με τη γρήγορη μηχανική ενεργοποίηση των παράλληλων αντιστατών, των πυκνωτών και των φίλτρων. Τα βαρίστορς μεταλλικών οξειδίων θα προστατεύσουν τον εξοπλισμό των HVDC υποσταθμών από μεταβατικές υπερτάσεις, και η ενεργοποίηση των μηχανισμών αέργου ισχύος θα επιτύχουν την ισορροπία αέργου ισχύος. Το μειονέκτημά του είναι ότι ο έλεγχος τάσης δεν είναι συνεχής, ο έλεγχος αέργου ισχύος καθυστερεί εξαιτίας της βραδύτητας της μηχανικής ενεργοποίησης, και ο λόγος βραχυκύκλωσης δεν αυξάνεται. 4. Οι κορεσμένοι αντιστάτες έχουν εφαρμοστεί για να περιορίσουν υπερτάσεις και να επιτύχουν την ισορροπία αέργου ισχύος. Οι παράλληλοι πυκνωτές και τα φίλτρα απαιτούνται για να διατηρήσουν τους αντιστάτες στον κορεσμό. Ο έλεγχος της AC τάσης επιτυγχάνεται χωρίς ελεγκτές με μια χαμηλωμένη χαρακτηριστική. Ο λόγος βραχυκύκλωσης δεν αυξάνεται. 77

78 5. Οι πυκνωτές σε σειρά στη μορφή του CCC ή CSCC μπορούν να αυξήσουν το λόγο βραχυκύκλωσης και να βελτιώσουν τη ρύθμιση της τάσης μεταγωγής του AC ζυγού. 6. Ο στατικός αντισταθμιστής ή STATCOM χρησιμοποιεί θυρίστορς σβέσης πύλης στη διαμόρφωση της VSC γέφυρας. Αυτό είναι ο γρηγορότερος διαθέσιμος ελεγκτής τάσης και μπορεί να προσφέρει περιορισμένη ικανότητα για αυξημένο λόγο βραχυκύκλωσης. Δεδομένου ότι κάθε σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος με την HVDC εφαρμογή του είναι μοναδικό, η μέθοδος ελέγχου τάσης που εφαρμόζεται αποτελεί αντικείμενο για μελέτη και σχεδιασμό Ελεγκτές για ειδικές περιπτώσεις Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός από ελεγκτές για ειδικές περιπτώσεις που μπορούν να προστεθούν στους HVDC ελεγκτές για να εκμεταλλευτούμε τη γρήγορη απόκριση του DC συνδέσμου και να βελτιώσουμε την απόδοση του AC συστήματος. Σ αυτά περιλαμβάνονται τα παρακάτω [51]: Ελεγκτές απόσβεσης του AC συστήματος: Ένα AC σύστημα υπόκειται στις αυξομειώσεις της ισχύος λόγω των ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων. Ένας ελεγκτής μπορεί να προστεθεί για να διαμορφώσει τη διάταξη DC ισχύος ή τη διάταξη συνεχούς ρεύματος προσθέτοντας απόσβεση. Η φασική γωνία της συχνότητας ή της τάσης του AC συστήματος μετριέται στο ένα ή και στα δύο άκρα της DC σύνδεσης, και ο ελεγκτής σχεδιάζεται για να ρυθμίσει την ισχύ της DC σύνδεσης αντίστοιχα. Ελεγκτής συχνότητας του AC συστήματος: Ένας αργά αποκρινόμενος ελεγκτής μπορεί επίσης να ρυθμίσει την ισχύ της DC σύνδεσης για να βοηθήσει να ρυθμιστεί η συχνότητα του συστήματος. Εάν ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας είναι σε ασύγχρονα συστήματα ισχύος, ο DC ελεγκτής μπορεί να τραβάει ισχύ από ένα σύστημα στο άλλο για να βοηθήσει στη σταθεροποίηση της συχνότητας στο καθένα. Ρύθμιση ισχύος με βηματική αλλαγή: Μια μη συνεχής ρύθμιση της ισχύος μπορεί να εφαρμοστεί για να εκμεταλλευτεί την ικανότητα ενός συστήματος HVDC διασύνδεσης να μειώνει γρήγορα ή να αυξάνει την ισχύ. Εάν η προστασία του AC συστήματος καθορίσει ότι μια γεννήτρια ή μια γραμμή AC διασύνδεσης πρόκειται να παραλειφθεί, ένα σήμα μπορεί να σταλεί στους DC ελεγκτές για να αλλάξει την ισχύ ή το ρεύμα με μια ποσότητα που θα αντισταθμίσει την απώλεια. Αυτό το χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι χρήσιμο στη βοήθεια να διατηρηθεί η σταθερότητα του AC συστήματος και να αντιμετωπισθεί μια απότομη διαταραχή πέρα από μια ευρύτερη περιοχή. Αντιστάθμιση AC υπότασης: Μερικά τμήματα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι επιρρεπή σε κατάρρευση τάσης. Εάν μια HVDC διασύνδεση βρίσκεται σε μια τέτοια περιοχή, ένας έλεγχος μπορεί να εφαρμοστεί που θα ανιχνεύει την πτώσης τάσης και το ρυθμό με τον οποίο μειώνεται, μια γρήγορη μείωση στην ισχύ ή στο ρεύμα της DC σύνδεσης μπορεί να 78

79 επηρεαστεί. Η μείωση της ισχύος και της αέργου ισχύος μπορεί να μεταθέσει την υπόταση στο AC σύστημα και να αποκαταστήσει την τάση σε κανονικά επίπεδα. Υποσύγχρονη απόσβεση ταλάντωσης: Ένας στρόβιλος ατμού και μια ηλεκτρική γεννήτρια μπορούν να έχουν μηχανικούς υποσύγχρονους τρόπους ταλάντωσης μεταξύ των διάφορων σταδίων στροβίλων και της γεννήτριας. Εάν μια τέτοια γεννήτρια τροφοδοτεί το ανορθωτή μιας DC σύνδεσης, συμπληρωματικός έλεγχος μπορεί να απαιτηθεί στη DC σύνδεση για να εξασφαλίσει ότι οι υποσύγχρονοι τρόποι ταλάντωσης είναι θετικά μετριασμένοι για να περιορίσουν τις υπερβολικές στροφές στον άξονα του στροβίλου ΣΕΙΡΙΑΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΤΟΥ DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Υπάρχουν δύο τρόποι που πυκνωτές σε σειρά μπορούν να εφαρμοστούν για να αντισταθμίσουν έναν DC μετατροπέα. Ο Capacitor Compensated Converter (CCC) έχει έναν πυκνωτή σε σειρά μεταξύ του μετασχηματιστή του μετατροπέα και της DC γέφυρας. Ο Controlled Series Capacitor Converter (CSCC) έχει τον πυκνωτή σειράς μεταξύ του AC ζυγού μεταγωγής και του συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος [57]. Σχήμα 4.15.: (α)ccc αντιστροφέας DC διασύνδεσης. (β)cscc αντιστροφέας DC διασύνδεσης. Η μοναδική πτυχή της διαμόρφωσης του CSCC είναι ότι οι μετασχηματιστές μετατροπέων μπορεί να υπόκεινται στο φερρομαγνητισμό. Αυτό μπορεί να συμβαίνει μετά από μια διαταραχή ή κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης από ένα σφάλμα. Ο φερρομαγνητισμός αντιμετωπίζεται από το σύστημα προστασίας αναγκάζοντας τον πυκνωτή σειράς να παρακαμφθεί είτε εν μέρει είτε εξ ολοκλήρου όταν ανιχνεύεται. Ένας Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) είναι αποτελεσματικός στο να απαλείφει οποιοδήποτε φερρομαγνητικό φαινόμενο. Οι συμβατικοί DC ελεγκτές χρησιμοποιούνται για μια DC σύνδεση με έναν αντιστροφέα σε διαμόρφωση CSCC. Η άεργη αντίσταση του πυκνωτή σειράς επιλέγεται περίπου μεταξύ 0.3 έως 0.4 perunit (βασισμένη στην εκτίμηση μετασχηματιστών). Η τιμή που επιλέγεται δεν πρέπει να προκαλεί 100% αντιστάθμιση του AC συστήματος. 79

80 Η CCC διαμόρφωση δεν είναι επιρρεπής στο φερρομαγνητισμό. Οι ελεγκτές της DC σύνδεσης με CCC είναι επίσης βασικά ίδιοι όπως στη συμβατική DC διασύνδεση εκτός από τον ελεγκτή της γωνίας εξάλειψης. Η γωνία εξάλειψης γ τροποποιείται και μια αποτελεσματική τιμή για το γ καθορίζεται. Αυτό είναι επειδή η τάση μεταγωγής ενός CCC είναι το άθροισμα της τάσης των AC γραμμών και η φορτισμένη τάση στον πυκνωτή σειράς. Επομένως, η μέγιστη γωνία εξάλειψης γ είναι μεγαλύτερη από αυτή ενός συμβατικού DC αντιστροφέα. Ένας CCC αντιστροφέας μπορεί να λειτουργήσει σε έναν μεγαλύτερο συντελεστή ισχύος από έναν συμβατικό DC μετατροπέα. Και στις CCC και στις CSCC διαμορφώσεις, ο μετατροπέας είναι λιγότερο επιρρεπής στην αποτυχία μεταγωγής που προκαλείται από οποιοδήποτε σφάλμα στο AC σύστημα ισχύος. Οι αντιστροφείς με την αντιστάθμιση πυκνωτών σειράς μπορούν επίσης αποτελεσματικά να λειτουργήσουν σε πολύ μικρότερο λόγο βραχυκυκλώματος. Το μεγάλο όφελος των CCC και CSCC διαμορφώσεων φαίνεται όταν στην διασύνδεση χρησιμοποιούνται DC καλώδια. Εάν η AC τάση στον αντιστροφέα μειωθεί για κάποιο λόγο, υπάρχει μια τάση για την τάση της DC πλευράς να μειωθεί κι αυτή. Το καλώδιο με τη μεγάλη του χωρητικότητα θα αποφορτιστεί από ρεύμα προς τον αντιστροφέα. Όταν αυτό συμβαίνει με μια συμβατική DC διαμόρφωση, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα για αποτυχία μεταγωγής που θα οδηγήσει σε πλήρη αποφόρτιση του DC καλωδίου. Εντούτοις, με τις CCC και CSCC διαμορφώσεις, το ρεύμα απαλλαγής των καλωδίων πρέπει να διατρέξει τον πυκνωτή σειράς ενισχύοντας μια τάση για να αντιδράσει σε αυτό. Η αποτυχία μεταγωγής είναι λιγότερο πιθανό να εμφανιστεί. Το σύστημα ελέγχου για τις CCC και CSCC διαμορφώσεις μπορεί ουσιαστικά να παραμείνει το ίδιο όπως για τη συμβατική διαμόρφωση. Το κίνητρο είναι να εφαρμοστεί ο πυκνωτής σειράς στον αντιστροφέα όπου τα αποτελέσματα από το χαμηλό λόγο βραχυκύκλωσης και την αποφόρτιση των καλωδίων είναι μια πρόκληση. Προτείνεται ο ταλαντωτής κλειδώματος φάσης (phase locked oscillator) Σχήμα 4.16.: Σύνδεση του phase locked loop στην CCC διαμόρφωση. 80

81 να αντλεί τα AC σήματα από την AC ζυγό μεταγωγής. Για την CCC διαμόρφωση, η άεργη αντίσταση σειράς του πυκνωτή μπορεί να είναι μεταξύ 0.3 έως 0.4 per-unit βασισμένη στην εκτίμηση μετασχηματιστών μετατροπέων. Σημειώστε ότι επίσης με τη CCC διαμόρφωση, η τάξη της γωνίας εξάλειψης μπορεί να μειωθεί από 2 ο έως 5 αντί του κανονικού 15 με 18. Η πραγματική ρύθμιση της γωνίας εξάλειψης που χρησιμοποιείται εξαρτάται από την τιμή της άεργης αντίσταση σειράς που χρησιμοποιείται, καθώς επίσης και από τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή, τον πυκνωτή σειράς και την ομάδα βαλβίδων [58]. Όταν χρησιμοποιούνται είτε οι CCC είτε οι CSCC διαμορφώσεις, πρέπει να πραγματοποιηθούν δοκιμές μεταβατικών υπερτάσεων στην DC πλευρά, στις βαλβίδες, στον πυκνωτή σειράς, στο μετασχηματιστή μετατροπέων και στον AC ζυγό για τις διάφορες διαταραχές και τις επιπτώσεις στην προστασία. 81

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (STATCOM) Ο στατικός αντισταθμιστής είναι ένας ελεγκτής ηλεκτρονικών ισχύος κατασκευασμένος από μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage Source Converters, VSCs). Στους VSCs γίνεται χρήση ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτών, όπως διπολικών τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors) και θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (GTOs, Gate Turn-Off Thyristos). Αυτό συνιστά και την βασική διαφορά ανάμεσα στους VSCs και τους συμβατικούς μετατροπείς που χρησιμοποιούν θυρίστορ, αφού στην περίπτωση των VSCs μπορεί να γίνει όχι μόνο έναυση αλλά και σβέση των IGBTs και των GTOs με χρήση σημάτων στην πύλη τους κατά τη διάρκεια που αυτά διαρρέονται από ρεύμα. Έτσι, λοιπόν, δεν παρουσιάζεται ανάγκη για μια ενεργή τάση μεταγωγής από το συνδεδεμένο δίκτυο [59]. Υπάρχουν πολλές δυνατές ρυθμίσεις των VSCs και κατ επέκταση των STATCOMs. Αυτές οι ρυθμίσεις καθορίζονται από διάφορους όρους, οι οποίοι είναι: Έξι και δώδεκα παλμών Δύο επιπέδων Πολλαπλών επιπέδων Μέθοδος διαμόρφωσης πλάτους παλμών Σχήμα 5.1.: Εξαρτήματα συσκευών μετατροπής. Στο σχήμα 5.2. φαίνεται η βασική ρύθμιση ενός STATCOM δύο επιπέδων. Μπορεί να λειτουργεί σαν ένας εξαπαλμικός VSC και απαιτεί μεγάλο φιλτράρισμα στην AC πλευρά του συστήματος του μετασχηματιστή. Σ αυτή την περίπτωση χρειάζονται φιλτράρισμα μόνο οι υψηλής συχνότητας αρμονικές, που μπορεί να επιτευχθεί εύκολα μ ένα υψιπερατό φίλτρο ή ένα μικρό πυκνωτή. 82

83 Σχήμα 5.2.: STATCOM δύο επιπέδων. Ο μετασχηματιστής μετατροπέα του STATCOM ή του VSC δεν έχει την ίδια λειτουργία όπως ο μετασχηματιστής μιας DC διασύνδεσης. Δεν υπάρχει σύντομη διαδικασία μεταγωγής βραχυκυκλώματος και οι μηχανικές καταπονήσεις δεν είναι διαφορετικές από οποιαδήποτε άλλη εφαρμογή AC μετασχηματιστή. Στην πραγματικότητα, σε πολλές VSC ρυθμίσεις χρησιμοποιείται μια αυτεπαγωγή πυρήνα αέρα αντί για μετασχηματιστή μετατροπέα [60]. Ο πυκνωτής της DC πλευράς μπορεί να έχει πολύ μεγάλη χωρητικότητα σε μικροφαράντ. Σαν DC πυκνωτής (η πολικότητά του δεν μπορεί να αντιστραφεί), μπορεί να επιτευχθεί χαμηλό κόστος και μέγεθος επειδή το διηλεκτρικό μπορεί να είναι λεπτότερο, καθώς δεν υπάρχει επιβάρυνση φόρτισης όταν η πολικότητα αντιστρέφεται. Σχεδιάζοντας το μέγεθος του πυκνωτή είναι από τις προκλήσεις στο σχεδιασμό του STATCOM ΕΝΑΥΣΗ ΜΕ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (INTERPOLATED SWITCHING) Προκειμένου να μην περιμένουμε για το πέρας του χρονικού βήματος πριν ξεκινήσουμε τη διαδικασία ενεργοποίησης μιας συσκευής στερεάς κατάστασης, όπως το θυρίστορ ή το IGBT, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε έναυση με παρεμβολή στο PSCAD. Σε πολλές περιπτώσεις μια καθυστέρηση στο χρονικό βήμα της τάξης των 10 και 50 sec έχει μικρή επίπτωση. Όμως σε προσομοιώσεις κυκλωμάτων 83

84 ηλεκτρονικών ισχύος μπορεί να προκαλέσει ανακριβή αποτελέσματα (50 sec στα 50 με 60 Hz είναι περίπου ένας βαθμός φασικής γωνίας). Για παράδειγμα, η προσομοίωση VSC κυκλωμάτων με GTO ή αντίστροφα πολωμένες διόδους μπορεί να είναι αδύνατη χωρίς έναυση με παρεμβολή [61]. Το EMTDC παρεμβάλλεται των δύο βημάτων για να βρει τη λύση στην ακριβή χρονική στιγμή του γεγονότος. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ ταχύτερη και το ίδιο ακριβές όπως να μειώσουμε το χρονικό βήμα. Τα εξαρτήματα των παλμών έναυσης με παρεμβολή παράγουν σαν έξοδο τη συστοιχία δυσδιάστατου παλμού έναυσης για την ενεργοποίηση των συσκευών στερεάς κατάστασης. Αυτά τα εξαρτήματα επιστρέφουν τον παλμό έναυσης και το χρόνο παρεμβολής που απαιτείται για ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση των GTO και των IGBT. Επίσης αυτά τα εξαρτήματα παλμών έναυσης χρησιμοποιούν έναν ανιχνευτή άσων-μηδενικών για να διακρίνει πότε το σήμα High ξεπερνά το σήμα Low. Η μετάβαση σε ενεργοποίηση των παλμών έναυσης συγχρονίζεται με το σήμα ON, ενώ η μετάβαση σε απενεργοποίηση με το σήμα OFF ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ STATCOM Υπάρχει πλεονέκτημα στη χρήση διαμόρφωσης πλάτους παλμών στους VSC μετατροπείς, καθώς δύο παράμετροι μπορούν να ελεγχθούν ανεξάρτητα. Αυτές είναι το εύρος και η φάσης της εναλλασσόμενης τάσης που παράγεται στην VSC πλευρά της διασυνδεδεμένης στο AC σύστημα αυτεπαγωγής ή μετασχηματιστή [62]. Κάθε VSC, όπως ο STATCOΜ με PWM, έχει δυο ανεξάρτητες παραμέτρους που μπορεί να ελέγξει. Αυτές είναι: 1. Το εύρος της θεμελιώδους συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης στην πλευρά του μετατροπέα του μετασχηματιστή ή της αυτεπαγωγής του μετατροπέα. 2. Η φασική γωνία της θεμελιώδους συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης στην πλευρά του μετατροπέα του μετασχηματιστή ή της αυτεπαγωγής του μετατροπέα. Με τον STATCOM υπάρχουν πολλοί τρόποι να ελέγξουμε το εύρος και τη φάση. Με απλά λόγια, ο έλεγχος του εύρους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για έλεγχο της τάσης του AC συστήματος, και ο έλεγχος της φασικής γωνίας για τον έλεγχο της τάσης του DC πυκνωτή. Καθώς η φασική γωνία της τάσης στην πλευρά του μετατροπέα μεταβάλλεται ανάλογα με τη φάση της τάσης του AC συστήματος, θα γίνει προσπάθεια να τροφοδοτηθεί ή να απορροφηθεί ενεργός ισχύ από το AC σύστημα. Αν η ενεργός ισχύς απορροφηθεί στον STATCOM από το σύστημα, πρέπει κάπου να 84

85 πάει, και καταλήγει να φορτίζει τον DC πυκνωτή. Επίσης, αν ο STATCOM στέλνει ισχύ στο σύστημα, αυτή μπορεί να προέλθει μόνο από τον πυκνωτή, και έτσι αυτός αποφορτίζεται. Μ αυτό τον τρόπο ο έλεγχος της φασικής γωνίας είναι ο τρόπος για να ρυθμίσουμε την τάση του πυκνωτή. Αυτό ονομάζεται «ευθύς» έλεγχος (direct control). Ο «μη ευθύς» έλεγχος είναι όταν δεν ελέγχουμε την τάση του πυκνωτή και εφαρμόζουμε απλώς έλεγχο της φασικής γωνίας για την εναλλασσόμενη τάση. Ένας άλλος τρόπος ελέγχου είναι να τροφοδοτήσουμε κυματομορφές Fourier, χωρίς χρήση PWM, και να μετρήσουμε τις αρμονικές της τερματικής τάσης στη μόνιμη κατάσταση. Υπάρχει μεγάλο φάσμα στρατηγικών ελέγχου που μπορούν να εφαρμοστούν στον STATCOM προκειμένου να ρυθμίσουμε αποτελεσματικά το εύρος και τη φάση της τάσης που εμφανίζεται στο μετασχηματιστή ή στην αυτεπαγωγή του μετατροπέα ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Η μέθοδος PWM που εφαρμόζεται στις βαλβίδες του VSC αναγκάζει τις βαλβίδες να λειτουργούν σε υψηλή συχνότητα, η οποία μπορεί να φτάσει τα 2000 Hz ή και περισσότερα [60] Ταλαντωτής κλειδώματος φάσης (Phase Locked Oscillator) Ο ταλαντωτής κλειδώματος φάσης (PLL) παίζει σημαντικό ρόλο στο συγχρονισμό της ενεργοποίησης των βαλβίδων με την εναλλασσόμενη τάση του συστήματος. Στο STATCOM του συστήματος μας έχουμε δύο PLL λειτουργίες. Πρώτον, υπάρχει ένας PLL με μια ράμπα μοιρών κλειδωμένη στη φάση Α στη θεμελιώδη συχνότητα και χρησιμοποιείται για να παράγει το τριγωνικό φέρον σήμα της PWM. Η συχνότητά του πολλαπλασιάζεται με τη συχνότητα ενεργοποίησης της PWM και μετατρέπεται σε ένα τριγωνικό σήμα του οποίου το πλάτος είναι μεταξύ -1 και +1. Αν η συχνότητα αυτή διαιρεθεί με το τρία μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε βαλβίδα IGBT του μετατροπέα δύο επιπέδων [63]. 85

86 Σχήμα 5.4.: Φάση Α ο ράμπα που μετατρέπεται σε PWM συχνότητα, τριγωνικό σήμα μεταξύ -1 και +1 και κατανέμεται σε κάθε βαλβίδα για ενεργοποίηση και ενεργοποίηση μετατροπής με παρεμβολή. Σχήμα 5.5.: Δημιουργία φερόντων σημάτων: Α. Αύξηση της κλίσης της PLL ράμπας στην απαιτούμενη μέσω της φέρουσας συχνότητας. Β. Συγκρατεί τις ράμπες μεταξύ 0 και 360 ο στη συχνότητα του φέροντος. C. Μετατρέπει τις φέρουσες ράμπες σε φέροντα σήματα. Δεύτερον, τα σήματα ράμπας μοιρών που παράγονται από το εξαπαλμικό PLL χρησιμοποιούνται για να παράγουν καμπύλες ημιτόνου (sin curves) στη θεμελιώδη συχνότητα. Οι δυο βαθμοί ελευθερίας για «ευθύ» έλεγχο επιτυγχάνονται με: 1. Μετατόπιση φάσης των σημάτων ράμπας που προκαλούν μετατόπιση φάσης στις ημιτονικές καμπύλες (σήμα Shft ), και 86

87 2. Αυξομειώσεις του εύρους των ημιτονικών καμπυλών (σήμα mr ή mi ). Ουσιαστικά είναι ο έλεγχος των σημάτων Shft και mr (ή mi ) που καθορίζουν την απόδοση ενός μετατροπέα πηγής που συνδέεται σ ένα ενεργό AC σύστημα. Σχήμα 5.6.: Η συστοιχία των σημάτων εισόδου ράμπας από το PLL είναι μετατοπισμένα κατά 30 (για την Υ-Δ μετατόπιση φάσης του μετασχηματιστή), καθώς επίσης και το σήμα ελέγχου εισόδου Shft Όταν το λαμβάνων άκρο είναι ένα παθητικό AC σύστημα Στην περίπτωση που το λαμβάνων άκρο είναι ένα παθητικό AC σύστημα χωρίς γεννήτριες με δικιά τους τάση και συχνότητα, αυτές οι λειτουργίες πρέπει να εκτελούνται από τον μετατροπέα πηγής τάσης. Ο βρόχος κλειδώματος φάσης πρέπει να συγχρονιστεί με έναν ταλαντωτή που προσδιορίζει τη θεμελιώδη συχνότητα αντί του AC ζυγού τάσης. Δεν έχει νόημα να αλλάξουμε τη φάση του φορτίου μέσω του σήματος Shft, οπότε δεν χρησιμοποιείται. Όμως το εύρος του mr σήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξουμε το εύρος της εναλλασσόμενης τάσης του φορτίου. Ο μετατροπέας του αποστέλλοντος άκρου σ αυτή την περίπτωση λειτουργεί σαν ανορθωτής. Εδώ το σήμα mr μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξουμε την εναλλασσόμενη τάση του ζυγού που συνδέεται ο ανορθωτής, και το σήμα Shft για να ελέγξουμε τη συνεχή τάση Δημιουργία παλμών έναυσης Η τεχνική PWM απαιτεί το συνδυασμό του φέροντος σήματος με το σήμα της θεμελιώδους συχνότητας που προσδιορίζει την AC διαμόρφωση κύματος. Στην περίπτωση μας, μια ημιτονοειδής κυματομορφή χρησιμοποιείται, καθώς είναι το πιο απλό σήμα που μπορούμε να εφαρμόσουμε. Στην πραγματικότητα, για βέλτιστη ακύρωση των αρμονικών υπάρχει πιο αποτελεσματική λύση αλλά απαιτείται μεγαλύτερη πολυπλοκότητα [63]. 87

88 Στις GTO ή IGBT βαλβίδες οι παλμοί στην πύλη εφαρμόζονται για απενεργοποίηση αλλά και για ενεργοποίηση. Στο PSCAD/EMTDC είναι προτιμότερο για τους παλμούς ενεργοποίησης και απενεργοποίησης να χρησιμοποιήσουμε έναυση με παρεμβολή έτσι ώστε να πετύχουμε το ακριβές στιγμιότυπο ανάμεσα στα βήματα υπολογισμού. Μεγαλύτερη ακρίβεια γι αυτό δεν επιτυγχάνεται καταφεύγοντας σε υπολογισμούς με μικρά χρονικά βήματα (και μεγάλους χρόνους προσομοίωσης). Το PWM φέρον σήμα συγκρίνεται με τα σήματα των ημιτονικών κυματομορφών και έτσι παράγονται οι παλμοί έναυσης και σβέσης για έναυση με παρεμβολή Έλεγχος εναλλασσόμενης τάσης και αέργου ισχύος Ένας απλός αναλογικός ολοκληρωτικός (ΡΙ) ελεγκτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ρυθμίσει την τάση στην AC πλευρά και την άεργο ισχύ από και προς τον μετατροπέα πηγής τάσης. Η έξοδος του ΡΙ ελεγκτή ρυθμίζει το σήμα mr για να επιτευχθεί η λειτουργία ελέγχου. Το σήμα mr ή mi είναι γνωστό σαν «δείκτης διαμόρφωσης [60]. Σχήμα 5.7.: «Ευθύς» έλεγχος της εναλλασσόμενης τάσης (ρυθμίζοντας το mr ). 88

89 Έλεγχος της τάσης στην DC πλευρά Η διατήρηση της συνεχούς τάσης του STATCOM για «ευθύ» έλεγχο επιτυγχάνεται ελέγχοντας τη φόρτιση του πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας που βρίσκεται στην DC πλευρά του VSC. Ένας απλός ΡΙ ελεγκτής μπορεί να ελέγξει τη ροή ισχύος ρυθμίζοντας τη γωνία μετατόπισης φάσης Shft. Σχήμα 5.8.: Έλεγχος συνεχούς τάσης στον πυκνωτή της DC πλευράς του STATCOM STATCOM ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΠΑΛΜΩΝ Στις παραπάνω παραγράφους αναφερθήκαμε στον μετατροπέα με 6-παλμική γέφυρα. Δυο γέφυρες 6 παλμών μπορούν να ρυθμιστούν σε μια δωδεκαπλαμική διαρρύθμιση παρόμοια με αυτήν στους δωδεκαπαλμικούς HVDC μετατροπείς. Όμως η DC πλευρά είναι συνδεδεμένη παράλληλα και όχι σε σειρά, για να διατηρηθεί η τάση όσο χαμηλότερα γίνεται και να βελτιωθεί η χρηστικότητα του DC πυκνωτή. Η 5 η και 7 η αρμονική του ρεύματος ακυρώνονται όμως κυκλοφορούν στα τυλίγματα και προστίθενται στις χαρακτηριστικές του τυλίγματος και της βαλβίδας του μετατροπέα. Επίσης, αν εφαρμόζεται και PWM, ο αριθμός των μετατροπών ανά κύκλους τετάρτων μπορούν να μειωθούν περίπου στο μισό για την ίδια επίδραση αρμονικών στο AC σύστημα [64]. Για να πετύχουμε την εξάλειψη των 5 ων και 7 ων αρμονικών στο πρωτεύον του μετασχηματιστή και ως εκ τούτου μια μείωση στην εκτίμηση του εξοπλισμού βαλβίδων, τα πρωτεύοντα συνδεδεμένα σε αστέρα τυλίγματα, συνδέονται σε σειρά. Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει τις απαραίτητες μετατοπίσεις φάσης των 6-παλμικών γεφυρών μετατροπέων για να εξαλειφθούν οι αρμονικές. Οι συνδέσεις του μετασχηματιστή απλοποιούνται για τη ρύθμιση πολλαπλών παλμών. Ο σχεδιασμός αυτός μπορεί να γίνει και ρύθμιση 24 και 48 παλμών. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός των παλμών, τόσο χαμηλότερη συχνότητα χρειάζεται στο PWM. Στην πραγματικότητα για 48 παλμών και πιθανόν 24, μπορεί να μη χρειαστεί καθόλου η μέθοδος PWM για μια αποδεκτή επίδοση των αρμονικών 89

90 στην AC πλευρά. Έτσι έχουμε μικρότερες απώλειες στις μετατροπές των βαλβίδων αλλά μεγαλώνει η πολυπλοκότητα των μετασχηματιστών STATCOM ΤΡΙΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Στον μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων, ο DC ζυγός είναι χωρισμένος σε ενδιάμεσα επίπεδα. Ο τριών επιπέδων μετατροπέας πηγής τάσης είναι μια πρακτική διαμόρφωση. Η μείωση των αρμονικών επιτυγχάνεται χωρίς ειδικές συνδέσεις των μετασχηματιστών. Όμως έτσι κάποιες βαλβίδες υπολειτουργούν. Οι μετατροπείς τριών επιπέδων μπορούν να ρυθμιστούν σε πολλαπλών παλμών για να ελαχιστοποιηθεί η PWM συχνότητα μετατροπής για ισοδύναμη εξάλειψη αρμονικών. Για λόγους σύγκρισης, ένας μετατροπέας δύο επιπέδων, έξι παλμών θα χρειαστεί τη διπλάσια συχνότητα μετατροπής για να επιτύχει την ίδια επίδραση σε αρμονικές όπως ένας μετατροπέας τριών επιπέδων. Σχήμα 5.9.: Μετατροπέας πηγής τάσης τριών επιπέδων για ένα STATCOM. Για την περίπτωση που η PWM συχνότητα μετατροπής είναι στην 21 η αρμονική, θα ήταν απαραίτητο κάποιο φιλτράρισμα γι αυτή την αρμονική, προκειμένου να επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό επίπεδο λειτουργίας. Ο μετασχηματιστής μπορεί να τοποθετηθεί ανάμεσα στις βαλβίδες και τα φίλτρα, αλλά τα φίλτρα θα είναι τότε 90

91 συνδεδεμένα σε υψηλότερη τάση. Ο μετασχηματιστής μπορεί να εφαρμοστεί για να αντικαταστήσουμε το πηνίο πυρήνα αέρα που είναι τοποθετημένο ανάμεσα στις βαλβίδες και τα φίλτρα. Είναι σημαντικό να επισημάνουμε ότι για ρύθμιση πολλαπλών επιπέδων το δευτερεύον του μετασχηματιστή δεν μπορεί να γειωθεί (όπως γίνεται σε κάποιες περιπτώσεις με το μετατροπέα δύο επιπέδων). Ένα ανεπιθύμητο κυκλικό ρεύμα μπορεί να εμφανιστεί ανάμεσα στις βαλβίδες και το μετατροπέα [64]. Σε έναν πρακτικό μετατροπέα τριών επιπέδων οι πυκνωτές στην DC πλευρά είναι γειωμένοι στο μέσο. Είναι σημαντικό να εφαρμόσουμε ελέγχους που θα εξισορροπούν την τάση σε κάθε πυκνωτή. Αυτό επιτυγχάνεται με μια συνετή ρύθμιση έναυσης των βαλβίδων. Η λογική για την έναυση των βαλβίδων είναι αρκετά δύσκολη να οργανωθεί Βελτιωμένη απόδοση αρμονικών Είναι πιθανό να βελτιώσουμε την αποτελεσματικότητα της διαμόρφωσης πλάτους παλμών εξαναγκάζοντας τη διαδικασία μετατροπής των βαλβίδων να ελαχιστοποιήσει τον αριθμό των μετατροπών για μέγιστη εξάλειψη των αρμονικών [65]. Μια απλή μέθοδος είναι η PWM με έγχυση 3 ης αρμονικής. Αυτή γίνεται με έγχυση 17% από εξάρτημα 3 ης αρμονικής στην ημιτονική κυματομορφή αναφοράς της θεμελιώδους συχνότητας. Η αναλυτική έκφραση για την κυματομορφή αναφοράς είναι: Μια άλλη μέθοδος είναι η PWM με έγχυση αρμονικών που είναι παρόμοια με την PWM με έγχυση 3 ης αρμονικής. Η αναλυτική έκφραση είναι: Και οι δυο αυτές μέθοδοι παρόλο που είναι εύκολο να εφαρμοστούν, παράγουν στην DC πλευρά ρεύματα 3 ης αρμονικής. Μια πιο περίπλοκη μέθοδος επιβάλει να αποφασίσουμε την ακριβή στιγμή μετατροπής για κάθε κύκλο (chop). Αυτή είναι μια περίπλοκη διαδικασία που απαιτεί προηγμένους υπολογισμούς και πίνακες παρεμβολής να εφαρμοστούν πρακτικά.. 91

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΥΒΡΙΔΙΚΟ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΝΗΣΙΩΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 6.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για τη σύνδεση δικτύων με ασύγχρονη παραγωγή στο δίκτυο προτείνεται ένα υβριδικό σύστημα που αποτελείται από έναν HVDC μετατροπέα (με θυρίστορ που αντιστρέφει την κατεύθυνση εναλλασσόμενου ρεύματος κάθε μισό κύκλο για να παράγει ένα ομοπολικό ρεύμα) και ένα στατικό αντισταθμιστή αέργου ισχύος (Var). Το προτεινόμενο σύστημα συνδυάζει καλή απόδοση, χαμηλό κόστος και μικρή απώλεια ισχύος από τον HVDC μετατροπέα με τη γρήγορη δυναμική απόδοση ενός συστήματος μεταφοράς στηριζόμενο σε VSC (μετατροπέας πηγής τάσης). Η εκτίμηση των συνολικά εγκατεστημένων μετατροπέων με θυρίστορ έχει φθάσει σήμερα σε σχεδόν 60 GW. Αυτή η τεχνολογία είναι συχνά ο οικονομικότερος τρόπος για τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις και για τη διασύνδεση δύο ασύγχρονων δικτύων εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτοί οι μετατροπείς χρειάζονται εναλλασσόμενη τάση για να λειτουργήσουν και, επομένως δεν μπορούν να παρέχουν ενέργεια στα δίκτυα χωρίς σύγχρονες μηχανές (π.χ., φορτία νησιών ή αιολικά πάρκα που χρησιμοποιούν ασύγχρονες γεννήτριες). Ο σχεδιασμός μεταφοράς με VSC που χρησιμοποιούν συσκευές εξαναγκασμένης μεταγωγής όπως διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (insulated gate bipolar transistors - IGBTs) και θυρίστορ με ελεγχόμενη σβέση πύλης (gate turn-off thyristors - GTOs)) δίνουν μια τεχνική λύση σε αυτό το πρόβλημα. Εντούτοις, μια λύση μεταφοράς με VSC έχει μεγαλύτερο κόστος και μεγαλύτερες απώλειες από τη χρήση θυρίστορ HVDC [66], [67]. Μία νέα υβριδική HVDC διασύνδεση, που συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της μεταγωγής γραμμής HVDC και της VSC τεχνολογίας, προτείνεται για την περίπτωση μας. Το σύστημα περιλαμβάνει έναν θυρίστορ HVDC μετατροπέα με πυκνωτές σειράς [69] και ένα βασισμένο σε VSC τεχνολογία STATCOM και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση φορτίων νησιών με ένα κύριο δίκτυο. Ο STATCOM είναι βασισμένος στην τοπολογία συνδέσεων αλυσίδας, που έχει πολύ χαμηλή απώλεια ισχύος [70] και δίνει μια συνολική απώλεια ισχύος που είναι ουσιαστικά χαμηλότερη από την περίπτωση που θα είχαμε μετάδοση VSC [71]. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε επίπεδο ισχύος και για σχεδιασμούς που χρησιμοποιούν εναέριες 92

93 γραμμές ή τα καλώδια. Λόγω της χρήσης των πυκνωτών σειράς με τον HVDC μετατροπέα καμία επιπλέον μεταγωγή πυκνωτών δεν απαιτείται για την αντιστάθμιση του υβριδικού συστήματος, ελαχιστοποιώντας έτσι το χώρο που απαιτείται για την κατασκευή του και την πολυπλοκότητα του κυκλώματος ισχύος. Εδώ περιγράφονται οι αρχές του προτεινόμενου υβριδικού συστήματος και οι κύριες στρατηγικές ελέγχου του συμπεριλαμβανομένου του έλεγχο της εναλλασσόμενης τάσης και την αυτόματη εξισορρόπηση ισχύος. Το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC χρησιμοποιείται για να επικυρώσει την απόδοση του συστήματος υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Η λειτουργία του συστήματος κατά τη διάρκεια AC σφαλμάτων ερευνάται για διαγορετικές συνθήκες φορτίων. Διάφορες ανησυχίες σχετικά με την απόδοση του STATCOM μελετώνται. Τέλος, το προτεινόμενο υβριδικό σύστημα συγκρίνεται με μια καθαρή VSC λύση ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το σύστημα αποτελείται από έναν CCC (Capacitor Commutated Converter), έναν STATCOM (STAtic var COMpensator) και ένα παθητικό φίλτρο (passive filter). Το νησιωτικό σύστημα αποτελείται από μικτά φορτία που περιλαμβάνουν επαγωγικές μηχανές και παθητικά φορτία. Ο STATCOM θα μπορούσε επίσης να συνδεθεί χρησιμοποιώντας ένα τέταρτο τύλιγμα στο μετασχηματιστή του κύριου μετατροπέα. Σχήμα 6.1.: Μονογραμμικό σχηματικό διάγραμμα του προτεινόμενου υβριδικού συστήματος που τροφοδοτεί ένα νησιωτικό δίκτυο. 93

94 Ο STATCOM δίνει στο σύστημα την απαραίτητη τάση μεταγωγής και αντιστάθμιση αέργου ισχύος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και σε δυναμικές και μεταβατικές συνθήκες. Σε μεταβατικές καταστάσεις, όπως στη μετατροπή φορτίου, δίνει περιορισμένη ενεργό ισχύ. Η ικανότητα του STATCOM να πραγματοποιεί αντιστάθμιση αέργου ισχύος καθορίζεται από τα ηλεκτρικά ονομαστικά του μεγέθη ενώ η ικανότητά του να παρέχει υποστήριξη ενεργού ισχύος εξαρτάται κυρίως από την ενεργειακή αποθήκευση στην DC πλευρά. Στις προσομοιώσεις που κάνουμε σε αυτό το σύστημα εξετάζουμε τη χρήση των συμβατικών DC πυκνωτών μόνο, με σχετικά περιορισμένη ενεργειακή αποθήκευση. Μεγαλύτερη ενεργειακή αποθήκευση θα μπορούσε να παρασχεθεί με τη χρησιμοποίηση των μπαταριών και άλλων αποθηκευτικών μέσων. Η κατανάλωση αέργου ισχύος ενός HVDC μετατροπέα εξαρτάται από την ενεργό ισχύ, την άεργη αντίσταση του μετασχηματιστή και τη γωνία ελέγχου. Μια συνήθης απαίτηση σε έναν υποσταθμό είναι η πλήρης αντιστάθμιση ή υπεραντιστάθμιση για ονομαστικό φορτίο. Επιπλέον, μια ζώνη αέργου ισχύος για το φορτίο, ένα εύρος τάσης και το επιτρεπόμενο βήμα τάσης κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης πρέπει να καθοριστούν. Αυτοί οι παράγοντες θα καθορίσουν το μέγεθος και τον αριθμό των φίλτρων και των παράλληλων πυκνωτών. Οι σταθμοί HVDC μετατροπέων παράγουν τα χαρακτηριστικά και μη χαρακτηριστικά αρμονικά ρεύματα. Για έναν δωδεκαπαλμικό μετατροπέα, οι χαρακτηριστικές αρμονικές είναι της τάξης ν = (12 * Κ) ± 1 (Κ = ). Αυτές είναι οι αρμονικές που παράγονται ακόμη και κατά τη διάρκεια των ιδανικών συνθηκών. Η τρίτη αρμονική, που προκαλείται κυρίως από την αρνητική ακολουθία του AC συστήματος, θα απαιτήσει σε πολλές περιπτώσεις φιλτράρισμα. Ένα ισοδύναμο κύκλωμα για τον προσδιορισμό της αρμονικής απόδοσης δίνεται στο διπλανό σχήμα. Τα συνήθη κριτήρια που χρησιμοποιούμε για την αρμονική απόδοση σχετίζονται με την τάση στο ζυγό του μετατροπέα. Ο σκοπός της ύπαρξης των φίλτρων είναι να παρασχεθούν αρκετά χαμηλές σύνθετες αντιστάσεις για τα στοιχεία εκέινα που προκαλούν έγχυση αρμονικών προκειμένου να μειωθούν αυτές σε ένα αποδεκτό επίπεδο. 94

95 Στο σύστημά μας πάντως, εξαιτίας της ύπαρξης του CCC το παθητικό φίλτρο μπορεί να είναι μικρό καθώς ο CCC περιορίζει την ανάγκη παροχής μεγάλης ποσότητας αέργου ισχύος στον μετατροπέα. Ο STATCOM μπορεί να παρέχει ενεργό φιλτράρισμα στις χαμηλής τάξης αρμονικές και να βοηθάει στην απαίτηση του συστήματος σε αρμονικές. Επιπρόσθετοι πυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέχουν αντιστάθμιση αέργου ισχύος όταν έχουμε αργή παραλλαγή φορτίων και μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε στο δίκτυο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κύριος στόχος του συστήματος είναι να ελέγξουμε την ισχύ και την τάση στο δίκτυο που λαμβάνει ac τάση. Για την καλύτερη μελέτη του συστήματος κάνουμε την εξής παραδοχή: ο λαμβάνων HVDC μετατροπέας (inverter) κάνει έλεγχο του dc ρεύματος, ενώ ο αποστέλλων HVDC μετατροπέας (rectifier) κάνει έλεγχο της dc τάσης, μια παραδοχή που έλαβε χώρα πρώτη φορά στην περιοχή Cheju της Κορέας [72]. Επίσης με την παραδοχή αυτή η ανάγκη να στέλνουμε τη διάταξη ρεύματος, που παράγεται από τον ελεγκτή συνεχούς τάσης του STATCOM, προς τον ελεγκτή του ανορθωτή πραγματοποιείται με γρήγορο τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Σχήμα 6.3.: Σχηματικό διάγραμμα της στρατηγικής ελέγχου (λαμβάνων δίκτυο). Στην προτεινόμενη στρατηγική ο συνδυασμός του HVDC μετατροπέα με τον STATCOM αντιμετωπίζεται σαν ξεχωριστή μονάδα. Ελέγχοντας την ac τάση και 95

96 συχνότητα, η ενεργός και άεργος ισχύς εξισορροπούνται αυτόματα. Αυτή η παραδοχή μοιάζει με τη μετάδοση VSC σε νεκρό δίκτυο. Υπό αυτή τη συνθήκη το τερματικό άκρο του inverter μιας VSC μετάδοσης πρέπει να βγάζει ac τάση και με κατάλληλη συχνότητα και εύρος και έτσι το σύστημα ελέγχου δε χρειάζεται να προσδιορίσει αν η ισχύς είναι ενεργός ή άεργος Δημιουργία της διάταξης συνεχούς ρεύματος Στη μόνιμη κατάσταση ο STATCOM παράγει μόνο άεργο ισχύ και γι αυτό μόνο μια μικρή ποσότητα ενεργού ισχύος χρειάζεται για να αντισταθμίσει τις απώλειες ισχύος του STATCOM. Όμως αυτό δεν ισχύει σε μεταβατικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, αν έχουμε ξαφνική αύξηση του φορτίου η εναλλασσόμενη τάση τείνει να πέσει και ο STATCOM θα προσπαθήσει να την επαναφέρει μέσω του ελεγκτή εναλλασσόμενης τάσης. Συνεπώς, ενεργός ισχύς θα ρέει έξω από τον STATCOM και σαν αποτέλεσμα η αποθηκευμένη στον dc πυκνωτή ενέργεια μειώνεται, όπως και η τάση του. Έτσι η στάθμη της ενέργειας και της τάσης στον πυκνωτή του STATCOM υποδεικνύει άμεσα οποιαδήποτε μεταβολή στην ενεργό ισχύ του δικτύου και γι αυτό το λόγο χρησιμοποιείται για να αλλάζει άμεσα τη διάταξη ρεύματος για τον HVDC αντιστροφέα. Η εξίσωση ισχύος του συστήματος μπορεί να εκφραστεί ως: (6.1) όπου και είναι η συνεχής τάση και ρεύμα του HVDC μετατροπέα, και είναι η τάση και η χωρητικότητα του πυκνωτή του STATCOM και είναι η ενεργός ισχύς που καταναλώνεται από το φορτίο. Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να ξαναγραφτεί ως εξής: (6.2) Από την παραπάνω σχέση γίνεται φανερό ότι η μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μεταβλητή κατάστασης. Αφού το δεν είναι προσπελάσιμο από το σύστημα ελέγχου, ο βρόγχος ελέγχου της πρέπει να έχει επαρκές εύρος ζώνης ώστε να μην επηρεάζεται από τις διαταραχές του. 96

97 Σχήμα 6.4.: DC ελεγκτής του STATCOM. Όπως φαίνεται στα σχήματα 6.4. και 6.5. οι είσοδοι στο σύστημα ελέγχου της DC τάσης του STATCOM είναι τα τετράγωνα της συνεχούς τάσης αναφοράς και της μετρούμενης συνεχούς τάσης. Η έξοδος είναι το για τον HVDC αντιστροφέα. Σχήμα 6.5.: Η έξοδος για τον HVDC αντιστροφέα. Ο ελεγκτής της συνεχούς τάσης του STATCOM θα ελέγχει και τη συνεχή τάση του πυκνωτή ρυθμίζοντας τη φασική διαφορά θ μεταξύ της τάσης εξόδου του STATCOM και της AC τάσης του δικτύου. Συνεπώς η στιγμιαία AC συχνότητα θα αλλάξει. Η αλλαγή χρησιμεύει στο να τροποποιήσουμε τη διάταξη του dc ρεύματος του μετατροπέα μέσω της συσκευής ελέγχου της ac συχνότητας, της οποίας η άλλη είσοδος είναι η συχνότητα αναφοράς (f1_ref) για το δίκτυο. Αυτό το σήμα και το προερχόμενο από τον ελεγκτή της dc τάσης του STATCOM συνδυάζονται για να παράγουν το, όπως φαίνεται στο σχήμα

98 6.3.2 Έλεγχος εναλλασσόμενης τάσης Η εναλλασσόμενη τάση ελέγχεται από τον STATCOM και τον HVDC μετατροπέα. Το εύρος της εναλλασσόμενης τάσης ρυθμίζεται μέσω του εύρους της τάσης εξόδου του STATCOM διαμέσου του ελέγχου του σχεδίου μετατροπής. Οι αλλαγές σε ενεργό και άεργο ισχύ μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στην τιμή της ac τάσης. Σ αυτή την περίπτωση ο STATCOM μπορεί να παρέχει αντιστάθμιση όχι μόνο αέργου αλλά και ενεργού ισχύος. Όπως φαίνεται από το σχήμα 6.6. οι είσοδοι στον ελεγκτή της AC τάσης είναι η AC τάση αναφοράς, η μετρήσιμη AC τάση και η. Η παράγεται από τη μονάδα ελέγχου γάμμα. Η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης μετριέται μέσω ενός βρόχου κλειδώματος τάσης (phase locked loop - PLL) και εν συνεχεία περνά σε μια μονάδα αποκοπής συχνοτήτων όπου οι οποιεσδήποτε ταλαντώσεις αποκόπτονται. Η έξοδος από τη μονάδα αποκοπής συχνοτήτων χρησιμοποιείται στη συνέχεια σαν συχνότητα αναφοράς για την AC έξοδο του STATCOM. Η γωνία μετατόπισης φάσης της εξόδου του STATCOM τροφοδοτείται από τον ελεγκτή συνεχούς τάσης του STATCOM όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Η εναλλασσόμενη συχνότητα του νησιωτικού δικτύου ελέγχεται από την μονάδα ελέγχου AC συχνότητας, η οποία τροποποιεί τη διάταξη του συνεχούς ρεύματος του μετατροπέα όπως περιγράφηκε προηγουμένως Έλεγχος αέργου ισχύος Καθώς ο μετατροπέας που βρίσκεται στο αποστέλλων άκρο ελέγχει την dc τάση, δεν είναι δυνατό να ελέγχουμε την απορρόφηση αέργου ισχύος του μετατροπέα που βρίσκεται στο λαμβάνων άκρο κατά τη διάρκεια ταχέων μεταβατικών φαινομένων. Η συνέπεια της χρήσης πυκνωτών σε σειρά είναι ότι όταν αυξάνεται το dc ρεύμα, η γωνία γ (gamma angle) μπορεί να αυξηθεί εξαιτίας της έξτρα τάσης που εμφανίζεται από τους πυκνωτές σε σειρά. Γι αυτό το λόγο η τάση στο δευτερεύον του μετασχηματιστή πρέπει να ελαττωθεί για να περιορίσουμε την κατανάλωση αέργου ισχύος. Στόχος του 98

99 ελέγχου γάμμα είναι να διατηρήσει τη γωνία γ σε συγκεκριμένο επίπεδο, ώστε να έχουμε αρκετή τάση μεταγωγής και περιορισμό της απορρόφησης αέργου ισχύος (μέσω του transformer tap changer). Εξαιτίας της αργής δράσης του tap, ο οποίος θέλει μερικά δευτερόλεπτα για να δράσει, η γάμμα μπορεί να απομακρυνθεί από το επιθυμητό εύρος εξαιτίας ταχέων μεταβατικών φαινομένων, όπως ενεργοποίηση μεγάλων φορτίων. Γι αυτό το λόγο από τον έλεγχο γάμμα παράγεται και η μεταβλητή που τροφοδοτείται στον έλεγχο εναλλασσόμενης τάσης του STATCOM. Έτσι ελέγχουμε το γάμμα ακόμα και σε ταχέα μεταβατικά φαινόμενα. Σχήμα 6.8.: Απεικόνιση του CCC αντιστροφέα στο PSCAD Ψυχρή εκκίνηση Υποθέτουμε ότι δεν έχουμε καμία παραγωγή πάνω στο νησί και απαιτείται επαναφορά μετά από κλείσιμο του συστήματος, γνωστό ως ψυχρή εκκίνηση. Πριν κάνουμε εκκίνηση θα πρέπει να αποσυνδέσουμε το φορτίο από τον HVDC μετατροπέα και τον STATCOM ανοίγοντας το CB (main circuit breaker). Ο πυκνωτής του STATCOM φορτίζεται από μικρή βοηθητική μονάδα, όπως μια ντιζελογεννήτρια. Ο πυκνωτής συνεχίζει να τροφοδοτείται μέχρι ο HVDC 99

100 μετατροπέας να αρχίσει να εισάγει ισχύ, αφού ο STATCOM πρέπει να καλύπτει τις απώλειες. Όταν ο πυκνωτής φορτιστεί πλήρως, η τάση εξόδου του STATCOM ομαλοποιείται ενεργοποιώντας ομαλά το μετασχηματιστή. Τότε ο HVDC μετατροπέας μπορεί να ελευθερωθεί και να αρχίσει να διαβιβάζει ενεργό ισχύ. Το φορτίο αυξάνεται σταδιακά (αυτό γίνεται σε λεπτά και όχι σε ώρες). Σχήμα 6.9.: Μονογραμμική διατύπωση του υβριδικού μας συστήματος, όπου έχουμε επισημάνει το νησιώτικο φορτίο και τον κύριο διακόπτη ΠΡΟΣΩΜΕΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το υβριδικό σύστημα μελετήθηκε χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα EMTDC/PSCAD. Το HVDC σύστημα είναι ένα μονοπολικό σχέδιο στα 300MW με μια ονομαστική συνεχή τάση 300kV τροποποιημένο από το μοντέλο αναφοράς του Cigre, που φαίνεται στο σχήμα [73]. Ο ανορθωτής είναι ένας συμβατικός 100

101 Σχήμα 6.10.: Μοντέλο αναφοράς του Cigre για HVDC μελέτες. μετατροπέας δώδεκα παλμών που συνδέεται με μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος με λόγο βραχυκύκλωσης 5. Ο αντιστροφέας έχει τους πυκνωτές σειράς όπως φαίνεται στο σχήμα Για το σκοπό αυτής της μελέτης, ο STATCOM είναι διαμορφωμένος με VSC τεχνολογία 2 επίπεδων στα +/-100Mvar. Ο συνεχής πυκνωτής του έχει μια ενεργειακή αποθήκευση της τάξης των 4.5MJ όταν φορτίζεται στην ονομαστική του τάση. Δύο παθητικά φίλτρα χρησιμοποιούνται. Το ένα είναι της τάξης των 60Mvar, Σχήμα 6.11.: Μοντέλο του STATCOM στο PSCAD. συντονισμένο στη 12 η /24 η αρμονική και το άλλο είναι ένα υψιπερατό φίλτρο 12Mvar. Τέσσερα διαφορετικά φορτία εξετάζονται στη μελέτη και παρατίθενται στον πίνακα 6.Α. Τα φορτία 1, 2 και 4 συνδέονται με το σύστημα μέσω ενός μετασχηματιστή 250MVA ενώ το φορτίο 3 συνδέεται μέσω ενός χωριστού μετασχηματιστή που 101

102 εκτιμάται στα 5OMVA. Ο πίνακας 6.Β παρουσιάζει λειτουργική ακολουθία του μελετημένου συστήματος. Φορτίο Τύπος φορτίου MVA cosψ 1 παθητικό παθητικό 50 καθαρά χωρητικό 3 επαγωγική μηχανή 30MW παθητικό Πίνακας 6.Α.: Λίστα με τους τύπους των φορτίων. Χρόνος (s) Συμβάν Ράμπα AC τάσης από τον Απεμπλοκή του HVDC Ενεργοποίηση φορτίου 1 Ενεργοποίηση φορτίου 2 STATCOM μετατροπέα Χρόνος (s) Συμβάν Ενεργοποίηση φορτίου 3 Ενεργοποίηση φορτίου 4 Απενεργοποίηση φορτίου 1 Απενεργοποίηση φορτίου 2 Πίνακας 6.Β.: Λειτουργική ακολουθία του προς μελέτη συστήματος. Προκειμένου να προσομοιώσουμε την αργή δράση του tap changer του μετασχηματιστή του μετατροπέα, η έξοδος από τη μονάδα ελέγχου γάμμα τροφοδοτείται σε έναν ολοκληρωτή με μια σταθερά χρόνου 1s. Η έξοδος του ολοκληρωτή τροφοδοτείται έπειτα στον tap του μετασχηματιστή. Στο σχήμα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης για τη λειτουργία του συστήματος που απαριθμείται στον πίνακα 6.Β. Η τάση και το ρεύμα είναι σε ανά μονάδα τιμές, όπου το 1pu είναι οι ανά μονάδα ονομαστικές τιμές. 1pu ενεργού και αέργου ισχύος αντιστοιχούν σε 300MW και 300MVar αντίστοιχα. Αφότου απεμπλακεί ο STATCOM και με όλα τα φορτία αποσυνδεδεμένα, ο STATCOM αυξάνει την εναλλασσόμενη τάση και απορροφά την άεργο ισχύ ώστε να αντισταθμιστούν οι πυκνωτές των φίλτρων. Όταν το φορτίο 1 ενεργοποιείται ο STATCOM παρέχει προσωρινά την ενεργό ισχύ στο δίκτυο. Κατά συνέπεια, η τάση στον DC πυκνωτή του STATCOM πέφτει στα 0.4s. Το ρεύμα του HVDC μετατροπέα αυξάνεται για να παρέχει πραγματική ισχύ στο δίκτυο. Η τάση του DC πυκνωτή του STATCOM αυξάνεται σταδιακά στην ονομαστική της τιμή. Όταν ένας πυκνωτής (φορτίο 2) ενεργοποιείται στα 0.8s, ο STATCOM παρέχει αμέσως εξισορρόπηση αέργου ισχύος. Λόγω της μικρής αλλαγής ενεργού ισχύος, η τάση του DC πυκνωτή του STATCOM μένει κατά ένα μεγάλο μέρος απρόσβλητη. 102

103 103

104 Σχήμα 6.12.: Αποτελέσματα της προσομοίωσης για ψυχρή εκκίνηση και ενεργοποίηση διαφόρων φορτίων. 104

105 Μια απ ευθείας συνδεδεμένη μηχανή επαγωγής απορροφά μια μεγάλη ποσότητα αέργου ισχύος (γύρω στα 4pu) όταν εκκινείται, και είναι σημαντικό να προετοιμάσουμε το υβριδικό σύστημα για την έναρξη της μηχανής επαγωγής των 30MW. Δεδομένου ότι ένα φορτίο πυκνωτή έχει ενεργοποιηθεί στα 0.8s αναγκάζοντας το STATCOM να κινηθεί στην επαγωγική περιοχή, ο STATCOM έχει τώρα τη δυνατότητα να παρέχει σε μεγάλο εύρος άεργο ισχύ. Όταν έχουμε την εκκίνηση της μηχανής επαγωγής στο l.0s, ο STATCOM πηγαίνει αμέσως στην κύρια λειτουργία παρέχοντας την άεργη ισχύ που απαιτείται για τη μηχανή. Επειδή ο HVDC ανορθωτής ελέγχει τη συνεχή τάση, η τιμή της μένει σχεδόν σταθερή σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας. Στο σχήμα σαφώς φαίνεται ότι το προτεινόμενο υβριδικό σύστημα δίνει σταθερή λειτουργία και ελέγχεται καλά καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας που προσομοιώνεται. Η χαμηλότερη τιμή της τάσης του DC πυκνωτή είναι τα 0.8pu όταν και ενεργοποιείται το φορτίο 2 στα 1.8s. Σε αυτήν την συνεχή τάση η μονάδα ελέγχου εναλλασσόμενης τάσης του STATCOM δεν πρέπει να κορεστεί. Η απορρόφηση αέργου ισχύος του HVDC μετατροπέα φθάνει προσωρινά σε 0.25pu περίπου στα 1.9s λόγω της υψηλής τιμής του συνεχούς ρεύματος και της μεγάλης γωνίας γάμμα. Ο STATCOM πρέπει προσωρινά να αντισταθμίσει αυτήν την σχετικά υψηλή άεργο ισχύ. Προκειμένου να ερευνηθεί η απόδοση του συστήματος κατά τη διάρκεια AC σφαλμάτων, έχουν πραγματοποιηθεί προσομοιώσεις για περίπτωση σφάλματος των τριών φάσεων με το έδαφος (three-phase to ground fault) στην πλευρά του ανορθωτή. Δύο διαφορετικές περιπτώσεις φορτίων εξετάζονται, δηλαδή, περίπτωση 1: μεγάλο ποσοστό του φορτίου που είναι η μηχανή επαγωγής και περίπτωση 2: μεγάλο ποσοστό του φορτίου που είναι παθητικά φορτία. Για την περίπτωση 1, τρεις μηχανές επαγωγής με συνολική ισχύ 110MW και ένα παθητικό φορτίο 50MVA/cosφ=0.95 συνδέονται στο νησιωτικό δίκτυο πριν από το σφάλμα στην πλευρά του ανορθωτή. Οι αντίστοιχες παράμετροι των τριών μηχανών επαγωγής παρατίθενται στον πίνακα 5.Γ. Για την περίπτωση 2, τα φορτία που συνδέονται είναι η 40MW μηχανή 2 και ένα παθητικό φορτίο 100MVA/cosφ=0.95. Μηχανή Ονομαστική ισχύς Ονομαστική Αδράνεια (pu) ταχύτητα Πίνακας 5.Γ.:Λίστα των φορτίων μηχανών επαγωγής. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης κατά τη διάρκεια του στερεού σφάλματος στην πλευρά του ανορθωτή παρουσιάζονται στα σχήματα και για την περίπτωση 1 και την περίπτωση 2, αντίστοιχα. Το σφάλμα εμφανίζεται στα 0.4s και καθαρίζεται στα 0.6s. 105

106 Για την περίπτωση 1 οι τρεις μηχανές επαγωγής λειτούργησαν κοντά στις ονομαστικές τιμές ισχύος και ταχύτητας τους (οι αντίστοιχες ονομαστικές τιμές ισχύος των μηχανών ορίζονται ως το 1pu) πριν από το AC σφάλμα. Όταν εμφανίζεται το σφάλμα, η ισχύς που μεταφέρεται από το HVDC πέφτει στο μηδέν. Ο STATCOM προσωρινά τροφοδοτεί το δίκτυο με ενεργό ισχύ και συνεπώς η τάση στον DC πυκνωτή του STATCOM πέφτει. Συγχρόνως, το εύρος της εναλλασσόμενης τάσης και της συχνότητας του δικτύου αρχίζουν να μειώνονται και οι τρεις μηχανές επαγωγής πηγαίνουν στην παραγωγική λειτουργία όπως φαίνεται καθαρά στο σχήμα Η ταχύτητα της μηχανής που έχει τη μεγαλύτερη αδράνεια (μηχανή 3) μειώνεται πιο αργά από αυτή των άλλων δύο και παράγει την περισσότερη ισχύ. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος, ο HVDC σχεδιασμός υπολογίζει ρεύμα 0.15pu για να παρέχει εξισορρόπηση αέργου ισχύος στο νησιωτικό δίκτυο. Αφότου καθαριστεί το σφάλμα, η ισχύς αυξάνεται βαθμιαία. Η διάταξη της συνεχούς τάσης στην πλευρά του ανορθωτή τίθεται σε 0.9pu για 600ms αφότου καθαρίζεται το σφάλμα για να αποφύγουμε την αποτυχία μεταγωγής, δεδομένου ότι η εναλλασσόμενη τάση στον αντιστροφέα είναι χαμηλή. Η τάση στον πυκνωτή του STATCOM, καθώς και το εύρος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης αυξάνονται βαθμιαία. Οι τρεις μηχανές επαγωγής επιταχύνονται και πάλι και ολόκληρο το σύστημα αποκαθίσταται περίπου μέσα σε ένα δευτερόλεπτο μετά από το σφάλμα που καθαρίζεται. Από το σχήμα 6.13., γίνεται σαφές ότι η απόδοση του συστήματος είναι σταθερή και ικανοποιητική υπό τέτοιο σενάριο σφάλματος και συνθήκες φορτίων. 106

107 107

108 Σχήμα 6.13.: Σφάλμα τριών φάσεων με το έδαφος στην πλευρά του ανορθωτή (περίπτωση 1). 108

109 Για την περίπτωση 2, το φορτίο μηχανών επαγωγής είναι σχετικά μικρό έναντι του παθητικού φορτίου. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος, αν και η μηχανή γυρνάει σε παραγωγική λειτουργία όπως φαίνεται από το σχήμα 6.14., η ισχύς που παράγεται δεν είναι ικανοποιητική για το παθητικό φορτίο. Συνεπώς, το εύρος τάσης του πυκνωτή του STATCOM και της εναλλασσόμενης τάσης συνεχίζει να μειώνεται. Η πτώση του εύρους της εναλλασσόμενης τάσης μειώνει την παραγόμενη ισχύ από τη μηχανή επαγωγής περαιτέρω και τελικά το σύστημα καταρρέει. Ο STATCOM εμποδίζει την παραγωγή του όταν η τάση του πυκνωτή πέσει κάτω από 0.6pu. Το σύστημα χρειάζεται τώρα να περάσει από την διαδικασία εκκίνησης για να αποκατασταθεί η μεταφορά ισχύος αφότου καθαρίζεται το σφάλμα. Εάν ένα σφάλμα στην πλευρά του αντιστροφέων προκαλέσει την κατάρρευση της εναλλασσόμενης τάσης στο νησιώτικο δίκτυο, είναι πιθανό στον HVDC αντιστροφέα να έχουμε αποτυχία μεταγωγής. Έτσι και ο STATCOM και ο HVDC αντιστροφέας μπορεί να πρέπει να μπλοκαριστούν κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι μηχανές θα επιβραδύνουν σε διαφορετικό ποσοστό που καθορίζεται από το αντίστοιχο μηχανικό φορτίο και την αδράνεια. Επομένως, αφού καθαριστεί το σφάλμα, οι μηχανές θα έχουν διαφορετικές ταχύτητες και δεν είναι δυνατό να επιταχυνθούν και πάλι χωρίς επαγωγή υψηλού ρεύματος εισροής. Επομένως, ο κύριος διακόπτης μπορεί να χρειαστεί να ανοιχτεί και το σύστημα να περάσει από την ακολουθία έναρξης. 109

110 110

111 Σχήμα 6.14.: Τριαφασικό σφάλμα με το έδαφος στην πλευρά του αντιστροφέα (περίπτωση 2). 111