ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΕ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικής Ενέργειας Διπλωματική Εργασία ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΕ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επιβλέπων Καθηγητής ΛΑΜΠΡΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΠΑΠΑΚΥΡΙΑΚΟΥ ΣΤΕΦΑΝΙΑ-ΚΥΡΙΑΚΗ ΑΕΜ: 6567 Θεσσαλονίκη, 2014

2 1

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική διερευνά τις αρμονικές συνιστώσες ρεύματος και τάσης που εμφανίζονται κατά τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς ρεύματος. Αρχικά, γίνεται μια βιβλιογραφική αναφορά για τον ορισμό των αρμονικών, τις συνέπειες που προκαλούν καθώς και τους τρόπους αντιμετώπισης των αρμονικών, ενώ αναφέρονται τα επιτρεπτά όρια αρμονικής παραμόρφωσης που έχουν θεσπιστεί από τους διεθνείς οργανισμούς. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται οι τοπολογίες των μετατροπέων, ανορθωτές και αντιστροφείς, οι όποιοι αποτελούν τις κύριες πηγές αρμονικών κατά την μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς ρεύματος. Μέσω θεωρητικής ανάλυσης αναπτύσσονται οι αναμενόμενες αρμονικές συνιστώσες λόγω των μετατροπέων και παράλληλα συγκεντρώνονται οι τρόποι μείωσης αρμονικών που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη περίπτωση. Τέλος, μέσω του προγράμματος MATLAB/SIMULINK γίνεται προσομοίωση της τοπολογίας CSC HVDC διαφορετικών σεναρίων παθητικών φίλτρων, αρχικά για ac παθητικά φίλτρα και έπειτα για dc παθητικά φίλτρα. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται και ελέγχονται αν καλύπτουν τα επιτρεπτά όρια που έχουν θεσπιστεί. Λέξεις κλειδιά: αρμονικές, φίλτρα, ac παθητικά φίλτρα, dc παθητικά φίλτρα, όρια αρμονικής παραμόρφωσης, δείκτης THD, μονοσυντονιζόμενο φίλτρο, διπλοσυντονιζόμενο φίλτρο, υψιπερατό φίλτρο 2

4 ABSTRACT The main subject of this diploma thesis is the harmonic components in current and voltage during the High Voltage Direct Current transmission. Firstly, through an extensive reference a definition of harmonic components is given. Moreover, the causes of appearance of this effect and the methods of treatment are developed thoroughly. Also, the permissible limits for the harmonic distortion are mentioned, which have been established by international organizations. Then, the topologies of rectifiers and inverters, which are the main source of the harmonic components, are presented. Through theoretical analysis the harmonic components, which are normally expected, are calculated. Finally, a simulation of CSC HVDC topology with different scenarios of ac and dc passive filters is taken place, with the program MATLAB / SIMULINK. The results are compared and checked if they meet the acceptable limits. Key words: harmonics, filters, ac passive filters, dc passive filters, limits harmonic distortion, THD indicator, single-tuned filter, double-tuned filter, high-pass filter 3

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Λαμπρίδη Δημήτριο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε να αναλάβω το συγκεκριμένο θέμα αλλά και για τη προθυμία του να με στηρίξει σε οτιδήποτε απαιτούσε επίβλεψη. Παράλληλα, η παρούσα διπλωματική δεν θα είχε διεκπεραιωθεί χωρίς την παρουσία του υποψήφιου διδάκτορα κ. Δούκα Δημήτρη, που χάρη στην αδιάλειπτη και πάντα µε προθυμία παροχή της βοήθειας του όποτε του εζητήθη, την καθοδήγηση του, την υπομονή του και την συμπαράσταση του στο πιεστικό πρόγραμμα που είχα λόγω εργασίας κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής, η περάτωσή της δεν θα είχε ολοκληρωθεί με αυτή την ποιότητα. Τέλος, χωρίς την ηθική και υλική υποστήριξη όλων αυτών των χρόνων της οικογένειας μου, των γονέων μου Κυριάκο και Μαίρη, την υπομονή, συμπαράσταση και εμψύχωση των αδερφών μου Δήμητρα, Κωνσταντίνο, Αντιγόνη και Στράτο, δεν θα είχα καταφέρει να αντεπεξέλθω στις απαιτήσεις της σχολής. Καθόλα τα φοιτητικά χρόνια, οι συμφοιτήτριες και φίλες μου Κατερίνα και Κρύστα υπήρξαν συνοδοιπόροι των δυσκολιών, ενώ η παρουσία των παιδικών μου φίλων Χριστίνα, Γιώργο Τ. και Γιώργο Γ. συνέβαλε κατά το μέγιστο στην περάτωση των σπουδών μου. 4

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... 9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΠΕΡΙ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Ορισμός Επίδραση αρμονικών στα ηλεκτρικά μεγέθη Δείκτες Αρμονικών Επιπτώσεις Αρμονικών Όρια Αρμονικής Παραμόρφωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Αποτροπή Δημιουργίας Αρμονικών Φίλτρα Απόσβεσης Αρμονικών Κατηγορίες Αρμονικών Φίλτρων Δυνατότητες και Περιορισμοί των Παθητικών Αρμονικών Φίλτρων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3-ΠΕΡΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής CSC Συνηθέστερη Διάταξη Μετατροπέων πηγής ρεύματος - Δωδεκαπαλμικός μετατροπέας -Διαμόρφωση Διπλής Γέφυρας Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα μεταγωγής μέσω πυκνωτών CCC Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα πηγής τάσης εξαναγκασμένης μεταγωγής VSC Τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) Σύγκριση μεταξύ των μετατροπέων VSC και CSC ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4- ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ HVDC Αρμονικές στους μετατροπείς ρεύματος CSC Ορισμός γωνιών για τους μετατροπείς ρεύματος CSC Προσδιορισμός χαρακτηριστικών αρμονικών Χαρακτηριστικές Αρμονικές στην DC πλευρά Χαρακτηριστικές Αρμονικές στην ΑC πλευρά Μη χαρακτηριστικές αρμονικές και interharmonics

7 4.1.6 Ατελής AC πηγή Διαμόρφωση DC Ατέλειες συστήματος ελέγχου Ασυμμετρίες στη γωνία έναυσης Αύξηση των χαμηλών τάξεων αρμονικών Συχνότητα Cross- Διαμόρφωση σε όλη τη LCC Αρμονικές στους μετατροπείς τάσης VSC Διείσδυση Αρμονικών Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή Συμβολή της διαμόρφωσης PWM στις αρμονικές Συμπέρασμα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5- ΜΕΙΩΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ HVDC Αποτροπή Δημιουργίας Αρμονικών Μετατόπιση φάσης μέσω του μετασχηματιστή Αύξηση παλμών του μετατροπέα Επανέγχυση DC κυμάτωσης Μείωση αρμονικών με φίλτρα Φίλτρα στην AC πλευρά Μονοσυντονιζόμενο Φίλτρο Διπλοσυντονιζόμενο Φίλτρο Υψιπερατό φίλτρο Φίλτρα στην DC πλευρά Αυτεπαγωγή Εξομάλυνσης-Smoothing reactor Φίλτρα σε υπάρχοντες σταθμούς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6-ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑC ΦΙΛΤΡΩΝ ΣE HCDV - CSC ΣΥΣΤΗΜΑ Κύκλωμα προσομοίωσης Προσομοίωση χωρίς φίλτρα Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Ανάλυση ελέγχου μετατροπέων Ανάλυση χαρακτηριστικών σταθερής κατάστασης Ανάλυση κυματομορφών Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Α

8 6.3.1 Σχεδιασμός Φίλτρων Σχεδίαση ac μονοσυντονιζόμενων φίλτρων Σχεδίαση ac υψιπερατών φίλτρων Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Συμπέρασμα Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Β Σχεδιασμός Φίλτρων Σχεδίαση ac διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου Σχεδίαση ac υψιπερατού φίλτρου Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Συμπέρασμα Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Γ Σχεδιασμός Φίλτρων Σχεδίαση ac υψιπερατού φίλτρου Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Συμπέρασμα Γενικό Συμπέρασμα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7-ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ DC ΦΙΛΤΡΩΝ ΣΕ HCDV - CSC ΣΥΣΤΗΜΑ Προσομοίωση χωρίς ac και dc φίλτρα Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Συμπέρασμα Προσομοίωση με μόνο αc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Α Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Συμπέρασμα Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Δ Σχεδίαση Φίλτρων Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Συμπέρασμα

9 7.4 Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Ε Σχεδίαση Φίλτρων Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Συμπέρασμα Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο ΣΤ Σχεδίαση Φίλτρων Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Συμπέρασμα Γενικό Συμπέρασμα ΑΝΑΦΟΡΕΣ

10 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1 Εξέλιξη Μεταφοράς HVDC σε παγκόσμιο επίπεδο [1] Σχήμα 2 DC δίκτυα [2] Σχήμα 1. 1 Ιδεατή κυματομορφή τάσης/ρεύματος [6] Σχήμα 1. 2 Απεικόνιση σειράς Fourier ενός παραμορφωμένου κύματος [16] Σχήμα 1. 3 Ροή τριπλών αρμονικών σε μετασχηματιστή ΥΔ με γειωμένο ουδέτερο [6] Σχήμα 1. 4 Κυματομορφές ρεύματος & δείκτης THD από διάφορα μη γραμμικά φορτία [11] Σχήμα 1. 5 Ισοδύναμο Κύκλωμα [9] Σχήμα 1. 6 Απόκριση Συχνότητας [9] Σχήμα 1. 7 Ισοδύναμο κύκλωμα [9] Σχήμα 1. 8 Απόκριση Συχνότητας [9] Σχήμα 1. 9 Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std [14] Σχήμα Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std [14] Σχήμα Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης της τάσης ΙΕΕΕ Std [14] Σχήμα 2. 1 Γραφική παράσταση ζωνοπερατού φίλτρου [17] Σχήμα 2. 2 Γραφική παράσταση χαμηλοπερατού φίλτρου [17] Σχήμα 2. 3 Γραφική παράσταση υψιπερατού φίλτρου [17] Σχήμα 2. 4 Γραφική παράσταση ζωνοφρακτικού φίλτρου [17] Σχήμα 2. 5 Κυκλωματική δομή ανά φάση του δικτύου τα (α), (β) (γ) (δ) αναφέρονται παραπάνω [3] Σχήμα 2. 6 Κυκλωματική δομή ανά φάση του δικτύου των υψιπερατών αποσβενόμενων φίλτρων (α) πρώτης τάξης (β) δεύτερης τάξης (γ) τρίτης τάξης [7] Σχήμα 2. 7 Τοποθέτηση του ενεργού φίλτρου εν παραλλήλω [32] Σχήμα 2. 8 Τοποθέτηση του ενεργού φίλτρου σε σειρά [32] Σχήμα 2. 9 Υβριδικό φίλτρο παραλλήλω [33] Σχήμα Υβριδικό φίλτρο σε σειρά [34] Σχήμα 3. 1 Μετατροπέας πηγής ρεύματος [21] Σχήμα 3. 2 Διάγραμμα τεσσάρων τεταρτημορίων χρησιμοποιώντας την τάση ως αναφορά [19] Σχήμα 3. 3 Συνδεσμολογία μετατροπέα 12 παλμών [19] Σχήμα 3. 4 Μετατροπέας μεταγωγής μέσω πυκνωτών [20] Σχήμα 3. 5 Μετατροπέας μεταγωγής μέσω πυκνωτών με ac φίλτρα συνεχώς συντονιζόμενα (continuously tuned) [20] Σχήμα 3. 6 Μετατροπέας πηγής τάσης [17] Σχήμα 3. 7 Βασικό Διάγραμμα VSC Υποσταθμού [19] Σχήμα 4. 1 Ρεύματα παλμών τριφασικής γέφυρας (i1 με i6) [19] Σχήμα 4. 2 Μεταβολή της 6 ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης και έναυσης [19] Σχήμα 4. 3 Ιδανική κυματομορφή ρεύματος στην πλευρά του πρωτεύοντος για συνδεσμολογία α) αστέρα- αστέρα και β)τριγώνου- αστέρα [19]

11 Σχήμα 4. 4 Μετρήσεις αρμονικών κατά τις δοκιμές back-to-back στον HVDC σταθμό της Νέας Ζηλανδίας Benmore [19] Σχήμα 4. 5 Ασυμμετρίες στην τάση για μόνη γέφυρα μετατροπέα (a) τριφασική τάση (b) συνεχής τάση (c) συνεχές ρεύμα (d) τριφασικά ρεύματα [19] Σχήμα 4. 6 Τάξη αρμονικών [19] Σχήμα 4. 7 Κυματομορφές τάσης VSC συστήματος [19] Σχήμα 4. 8 Κυματομορφές DC ρεύματος [19] Σχήμα 4. 9 Παρεμβολή μέσω αγωγιμότητας σε έναν μετατροπέα VSC [19] Σχήμα Κυματομορφές με διαμόρφωση PWM και φάσμα αρμονικών [22] Σχήμα 5. 1 Ιδανική κυματομορφή ρεύματος 12-παλμικού μετατροπέα [19] Σχήμα 5. 2 Φάσμα αρμονικών συνιστωσών του i ολικό [19] Σχήμα 5. 3 Μεταβολή της 5ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης για διαφορετικές τιμές τις γωνίες έναυσης [19] Σχήμα 5. 4 Μεταβολή του θετικού πόλου (κοινής καθόδου) και αρνητικού πόλου (κοινής ανόδου) σε σχέση με τον ουδέτερο του μετασχηματιστή [19] Σχήμα 5. 5 Γέφυρα ανορθωτή με επανέγχυση κυματισμού [19] Σχήμα 5. 6 Κυματομορφές ρεύματος για το μετατροπέα του σχήματος 4.5 [19] Σχήμα 5. 7 Διαμόρφωση γέφυρας σε σειρά 24-παλμών [19] Σχήμα 5. 8 Κυματομορφές τάσης της DC πλευράς μιας 24-παλμικής διαμόρφωσης επανέγχυσης [19] Σχήμα 5. 9 Κυματομορφές ρεύματος μιας 24-παλμικής διαμόρφωσης επανέγχυσης [19] Σχήμα Απλοποιημένο κύκλωμα για την απεικόνιση της πηγής των αρμονικών, του φίλτρου και του AC δικτύου [19] Σχήμα Ζήτηση άεργου ισχύος συναρτήσει της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος [21].. 88 Σχήμα Κύκλωμα Μονοσυντονιζόμενου Φίλτρου Σχήμα Χαρακτηριστική Σύνθετης Αντίστασης Μονοσυντονιζόμενου Φίλτρου [28] Σχήμα Κύκλωμα Διπλοσυντονιζόμενου Φίλτρου Σχήμα Κύκλωμα Υψιπερατού Φίλτρου Δευτέρας τάξης Σχήμα 6. 1 Μονοπολική διασύνδεση [29] Σχήμα 6. 2 Κύκλωμα προσομοίωσης χωρίς φίλτρα Σχήμα 6. 3 Μονοφασικό ισοδύναμο ac συστήματος Σχήμα 6. 4 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση του ac συστήματος Σχήμα 6. 5 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση του ac συστήματος Σχήμα 6. 6 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση dc γραμμής Σχήμα 6. 7 Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect Σχήμα 6. 8 Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode Σχήμα 6. 9 Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg) Σχήμα Κύκλωμα master control Σχήμα Χαρακτηριστικές Ιd-Vd CSC κυκλώματος [37] Σχήμα Χαρακτηριστικές Ιd-Vd CSC κυκλώματος [21] Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών

12 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (VΒinv) στο Binv και τάξη αρμονικών Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών Σχήμα Μονοσυντονιζόμενα φίλτρα στο SIMULINK Σχήμα Παράθυρο έλεγχου μονοσυντονιζόμενων φίλτρων Σχήμα Υψιπερατό Φίλτρο στο SIMULINK Σχήμα Παράθυρο έλεγχου υψιπερατού φίλτρου Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο Α Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο Α Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect- Σενάριο Α Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode- Σενάριο Α Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv- Σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α. 122 Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα Διπλοσυντονιζόμενο φίλτρο στο SIMULINK Σχήμα Παράθυρο έλεγχου διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο B Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο B Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect- Σενάριο B Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode- Σενάριο B Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv- Σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο B. 133 Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών-σενάριο B

13 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο B Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο Γ Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο Γ Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect- Σενάριο Γ Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode- Σενάριο Γ Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv- Σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα 7. 1 Χρονικό διάστημα προσομοίωσης DC τάσης και ρεύματος Σχήμα 7. 2 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών Σχήμα 7. 3 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών Σχήμα 7. 4 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα 7. 5 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα 7. 6 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Δ Σχήμα 7. 7 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Δ Σχήμα 7. 8 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Ε Σχήμα 7. 9 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Ε Σχήμα Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο ΣΤ Σχήμα Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο ΣΤ

14 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1«Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» Πίνακας 2 «Επιτρεπτά όρια δείκτη THD του ρεύματος ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» Πίνακας 3 «Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης της τάσης ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» Πίνακας 4 «Αναμενόμενα σφάλματα» [28] Πίνακας 5 «Παράμετροι κυκλώματος προσομοίωσης» Πίνακας 6 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Πίνακας 7 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Πίνακας 8 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο Α» Πίνακας 9 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο Α» Πίνακας 10 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο B» Πίνακας 11 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο B» Πίνακας 12 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο Γ» Πίνακας 13 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο Γ» Πίνακας 14 «Συγκεντρωτικός Πίνακας ac φίλτρων» Πίνακας 15 «Σύγκριση ac Φίλτρων» Πίνακας 16 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Πίνακας 17 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο Α» Πίνακας 18 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο Δ» Πίνακας 19 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο E» Πίνακας 20 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο ΣΤ» Πίνακας 21 «Συγκεντρωτικός Πίνακας dc φίλτρων» Πίνακας 22 «Σύγκριση dc Φίλτρων»

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα μέσα του 20 ου αιώνα, η ιδέα για μεταφορά συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης HVDC άνοιξε νέες προοπτικές στην διασύνδεση απομακρυσμένων περιοχών. Από τις αρχικές εγκαταστάσεις μερικών εκατοντάδων ΜW μέχρι τις σημερινές εγκαταστάσεις άνω των 55GW, η τεχνολογία των HVDC συστημάτων οδηγήθηκε σε ταχεία εξέλιξη. Σχήμα 1 Εξέλιξη Μεταφοράς HVDC σε παγκόσμιο επίπεδο [1] Ποιοι λόγοι κάνουν ελκυστικοί τα DC δίκτυα [2]; Σημαντική μείωση απωλειών, καθώς δεν έχουμε απώλειες λόγω άεργου ισχύος. Αυξημένη ικανότητα μεταφορά ισχύος ανά καλώδιο/γραμμή σε σχέση με μεταφορά AC. Βελτιώνει στην ευστάθεια των ΑC και DC δικτύων. Χαμηλότερα ηλεκτρομαγνητικά πεδία Η μόνη λύση για υποθαλάσσια μεταφορά άνω των 60km. Δυνατότητα διασύνδεσης ασύγχρονων δικτύων. Σχήμα 2 DC δίκτυα [2] 14

16 Ένα από τα μειονέκτημα που έχουν και θα αποτελέσει αντικείμενο βελτίωσης της παρούσας διπλωματικής είναι η παραγωγή αρμονικών τόσο στην AC όσο και στην DC πλευρά. Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει μια εισαγωγή στον ορισμό των αρμονικών, τις συνέπειες που προκαλούν και των ορίων που τίθενται για τον περιορισμό τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα αναλυθούν οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την μείωση των αρμονικών. Στο τρίτο κεφάλαιο θα αναλυθούν οι βασικές τοπολογίες μετατροπέων HDVC, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο θα αναλυθούν οι αρμονικές που παράγουν ο καθένας από αυτούς. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά των μέσων που χρησιμοποιούνται για την εξάλειψη των αρμονικών σε εφαρμογές HVDC συστημάτων. Τέλος, στο έκτο και έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια πειραματική προσομοίωση μέσω του προγράμματος MATLAB/SIMULINK ενός HVDC συστήματος με τις αρμονικές που παράγει και τις τεχνικές μείωσης, για την ac και την dc πλευρά στο έκτο και έβδομο κεφάλαιο αντίστοιχα, που εφαρμόζονται με σκοπό την εναρμόνιση των παραγόμενων αρμονικών στα όρια που προτείνουν οι διεθνείς οργανισμοί. 15

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΠΕΡΙ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Η διαδικασία HVDC περιλαμβάνει την μετατροπή από AC σε DC (διαδικασία ανόρθωσης) και την μετατροπή από AC σε DC (διαδικασία αντιστροφής). Η μετατροπή επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση διακοπτικών στοιχείων. Συνέπεια της διακοπτικής λειτουργίας των μετατροπέων ισχύος, είναι οι τάσεις και τα ρεύματα στην είσοδο και την έξοδο τους να μην έχουν καθαρά ημιτονοειδή μορφή, όταν είναι εναλλασσόμενα μεγέθη και αντίστοιχα απόλυτα σταθερή τιμή όταν είναι συνεχή μεγέθη. Οι τάσεις και τα ρεύματα παρουσιάζουν αρμονικές συνιστώσες, σε συχνότητες πολλαπλάσιες της θεμελιώδους. Σε ορισμένους τύπους μετατροπέων ισχύος οι αρμονικές συνιστώσες εμφανίζονται σε συχνότητες εκατοντάδες ή και χιλιάδες φορές μεγαλύτερες της θεμελιώδους και με πλάτη συγκρίσιμα εκείνου της θεμελιώδους συχνότητας. [3] 1.1. Ορισμός Γραμμικό ηλεκτρικό φορτίο καλείται εκείνο που όταν εφαρμοσθεί στα άκρα του μια καθαρά ημιτονοειδής τάση, τότε το ρεύμα που το διαρρέει είναι καθαρά ημιτονοειδές και είναι ανάλογο προς τη τάση που το διαρρέει και τη σύνθετη αντίσταση της τάσης. Σχήμα 1. 1 Ιδεατή κυματομορφή τάσης/ρεύματος [6] Μη γραμμικό ηλεκτρικό φορτίο καλείται εκείνο που το ρεύμα που το διαρρέει είναι δυσανάλογο της τάσης, παρουσιάζουν δηλαδή ασυνέχειες στην αγωγιμότητα της τάσης προκύπτει δηλαδή μια μη καθαρά ημιτονοειδής κυματομορφή, η οποία αποκλίνει από την ιδεατή. Πηγές αρμονικών είναι αφενός τα μη γραμμικά φορτία και αφετέρου τα γραμμικά φορτία που λειτουργούν υπό παραμορφωμένη τάση. Έτσι, η υψίσυχνη λειτουργία των αντιστροφέων, οι οποίοι παρουσιάζουν μη γραμμική συμπεριφορά κατά την αγωγή μέσω ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και χρησιμοποιούνται σε συστήματα HVDC για την μετατροπή AC/DC, προκαλεί την εμφάνιση αρμονικών στην κυματομορφή του ρεύματος και της τάσης. Κατά τον Fourier, κάθε περιοδική συνάρτηση μπορεί να εκφρασθεί ως άθροισμα άπειρου πλήθους ημιτονοειδών συναρτήσεων με συχνότητα ίση με την ονομαστική καθώς και ακεραία πολλαπλάσια της συχνότητας αυτής. Η ονομαστική συχνότητα, στην οποίο είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί το σύστημα τροφοδοσίας, καλείται θεμελιώδης, ενώ οι 16

18 ημιτονοειδείς συναρτήσεις με συχνότητες ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας αυτής καλούνται αρμονικές και ο ακέραιος αριθμός τάξη της αρμονικής. Σχήμα 1. 2 Απεικόνιση σειράς Fourier ενός παραμορφωμένου κύματος [16] Εκτός από τις αρμονικές που είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους, υπάρχουν και οι ενδιάμεσες αρμονικές γνωστές και ως interharmonics, των οποίων οι συχνότητες δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας, και μπορούν να εμφανισθούν είτε διακριτές είτε ως φάσμα ευρείας ζώνης. [4] Οι παραπάνω αρμονικές που περιγράφηκαν ονομάζονται χαρακτηριστικές αρμονικές (characteristic harmonics). Εκτός από αυτές, υπάρχουν πρόσθετες αρμονικές, γνώστες ως μη χαρακτηριστικές αρμονικές (non-characteristic harmonics), οι οποίες είναι ασθενέστερες από τις χαρακτηριστικές και οφείλονται σε ασυμμετρίες του δικτύου, των μετασχηματιστών και του μετατροπέα. Για τι αρμονικές συνιστώσες διακρίνουμε τις παρακάτω περιπτώσεις: Τριπλές αρμονικές. Τριπλές λέγονται οι αρμονικές που η τάξη τους είναι ακέραιο πολλαπλάσια του τρία, δηλαδή. Οι τριπλές αρμονικές δεν έχουν διαφορά φάσης μεταξύ τους και για αυτό το λόγο αποτελούν συστήματα ομοπολικών συνιστωσών [5]. Οι τριπλές αρμονικές παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τριφασικά συστήματα τεσσάρων αγωγών σε σύνδεση αστέρα με ροή ρεύματος στον ουδέτερο [5]. Σε τριφασικό σύστημα σε σύνδεση αστέρα, οι τάσεις γραμμής είναι ίσες με τη διαφορά των αντίστοιχων φασικών τάσεων. Έτσι, στις τάσεις γραμμής (πολικές τάσεις) δεν εμφανίζονται ομοπολικές συνιστώσες, επειδή δεν έχουν διαφορά φάσης μεταξύ τους και συνεπώς δεν περιέχουν τριπλές αρμονικές. Τα φασικά ρεύματα είναι ίσα με τα ρεύματα γραμμής [5]. 17

19 Παράλληλα, η ενεργός τιμή του ρεύματος στον ουδέτερο αγωγό είναι ίση με το τριπλάσιο των ομοπολικών συνιστωσών των ρευμάτων γραμμής. Ομοπολικές συνιστώσες είναι όπως αναφέρθηκε παραπάνω οι τριπλές αρμονικές. Το άθροισμα των τριπλών αρμονικών στον ουδέτερο ισούται με το τριπλάσιο της τριπλής αρμονικής, διότι συμπίπτουν σε φάση ή σε χρόνο [5]: όπου k=1,2,3 Ενώ, σε τριφασικά συστήματα αστέρα χωρίς ουδέτερο (τριών αγωγών), παρόλο που τα ρεύματα γραμμής δεν έχουν ομοπολικές συνιστώσες, οι ομοπολικές συνιστώσες της πηγής (στην περίπτωση μας είναι οι τριπλές αρμονικές) προκαλούν μετατόπιση του ουδέτερου σημείου, δηλαδή της τάσης μεταξύ των κοινών σημείων της πηγής και του φορτίου [5]. Συνεπώς, τα ρεύματα των τριπλών αρμονικών επηρεάζονται από τον τρόπο σύνδεσης (αστέρα ή τρίγωνο) των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών καθώς και από την ύπαρξη γειωμένου ουδέτερου στην σύνδεση αστέρα. Παρατηρούμε, πως στην περίπτωση ενός μετασχηματιστή ΥΔ με γειωμένο ουδέτερο, στο ουδέτερο θα παρουσιάζονται τριπλές αρμονικές ρεύματος. Όμως, τα ρεύματα δεν μπορούν να ρέουν στις γραμμές που συνδέονται στο τρίγωνο του μετασχηματιστή, γιατί δεν υπάρχει δρόμος επιστροφής για αυτά τα ρεύματα. Με αποτέλεσμα, οι τριπλές αρμονικές ρεύματος μπορούν να ρέουν στα σκέλη του τριγώνου, όπως βλέπουμε στον παρακάτω σχήμα [6]: Σχήμα 1. 3 Ροή τριπλών αρμονικών σε μετασχηματιστή ΥΔ με γειωμένο ουδέτερο [6] Αρμονικές θετικής ακολουθίας. Αρμονικές τάξης, δηλαδή η 1 η, 4 η, 7 η, 10 η, 13 η κ.ο.κ. αποτελούν συστήματα συνιστωσών με θετική σειρά διαδοχής φάσεων. 18

20 Αρμονικές αρνητικής ακολουθίας. Αρμονικές τάξης, δηλαδή η 2 η, 5 η, 8 η, 11 η, 17 η κ.ο.κ. αποτελούν συστήματα συνιστωσών με αρνητική σειρά διαδοχής φάσεων. [5] 1.2. Επίδραση αρμονικών στα ηλεκτρικά μεγέθη Υπό την επίδραση ενός αρμονικού περιβάλλοντος, η τάση δίνεται από την παρακάτω σχέση: όπου, η συνιστώσα της τάσης στη θεμελιώδη συχνότητα του δικτύου η θεμελιώδης συχνότητα η συνιστώσα της τάσης στη συχνότητα θεμελιώδους η οποία είναι πολλαπλάσια της η φασική γωνία κάθε αρμονικού όρου Ομοίως, το ρεύμα το οποίο διαρρέει ένα μη γραμμικό φορτίο δίνεται από την παρακάτω σχέση: όπου, η συνιστώσα του ρεύματος στη θεμελιώδη συχνότητα του δικτύου η συνιστώσα της τάσης στη συχνότητα θεμελιώδους η οποία είναι πολλαπλάσια της Η φαινόμενη ισχύς είναι ίση με το γινόμενο της ενεργού τιμής της τάσης και του ρεύματος, όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο: Η ολική άεργος ισχύς αποτελείται από δύο συνιστώσες. Η μία συνιστώσα οφείλεται στις αρμονικές της τάσης και του ρεύματος με την ίδια τάξη και ορίζεται από τη σχέση: 19

21 Η δεύτερη αρμονική συνιστώσα της άεργης ισχύος, προκαλείται από αρμονικές της τάσης και του ρεύματος με διαφορετική τάξη. Η ονομάζεται ισχύς παραμόρφωσης (distortion power) και υπολογίζεται από τη σχέση: όπου, διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης και του ρεύματος στην αρμονική τάξης j διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης και του ρεύματος στην αρμονική τάξης k Η ενεργός (μέση ισχύς), η φαινόμενη και η άεργος ισχύς συνδέονται με την έκφραση: Ο συντελεστής ισχύος (power factor) σε μια μη γραμμική διάταξη, η οποία τροφοδοτείται από μια ημιτονοειδή τάση και απορροφά ένα περιοδικό μη ημιτονοειδές ρεύμα, δίνεται από τη σχέση: όπου, η ενεργή τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας του ρεύματος η ενεργή τιμή του συνολικού ρεύματος ο συντελεστής ισχύος στη θεμελιώδη αρμονική. Ο όρος ονομάζεται συντελεστής παραμόρφωσης (distortion factor) και ο όρος καλείται συντελεστής μετατόπισης (displacement factor). 20

22 1.3. Δείκτες Αρμονικών Συντελεστής Ολικής αρμονικής Παραμόρφωσης (ΤΗD %) Η μέτρηση των αρμονικών γίνεται υπολογίζοντας τον μέσο όρο των αρμονικών για κάποιο χρονικό διάστημα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Η παρουσία αρμονικών υπολογίζεται μέσω του δείκτη ολικής παραμόρφωσης. Το μέτρο του δείκτη αυτού είναι ο λόγος του αθροίσματος των ισχύων P όλων των αρμονικών συχνοτήτων πάνω από τη θεμελιώδη συχνότητα προς την ισχύ της βασικής συχνότητας [7]. Τα κύρια πλεονεκτήματα του THD είναι: Χρησιμοποιείται ευρέως για μια γρήγορη εκτίμηση της αρμονικής παραμόρφωσης. Ο υπολογισμός του είναι εύκολος. Μερικά από τα μειονεκτήματα του THD είναι: Δε μας προσφέρει πληροφορίες για το πλάτος. Οι λεπτομερείς πληροφορίες για το φάσμα του σήματος έχουν χαθεί. Στην πράξη, ο THD μπορεί να μας δώσει μια καλή ιδέα, σχετικά με την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται, όταν μια παραμορφωμένη τάση εφαρμόζεται στα άκρα ενός ωμικού φορτίου. Ομοίως, μπορεί να δώσει μια ένδειξη των επιπρόσθετων απωλειών που προκαλούνται από τη ροή ρεύματος μέσω ενός αγωγού. Συντελεστής Ολικής Παραμόρφωσης Τάσης (ΤΗDV %) Αποτελεί μέτρο της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: όπου, η rms τιμή της αρμονικής συνιστώσας τάξης n η rms τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης Συντελεστής Ολικής Παραμόρφωσης ρεύματος (ΤΗDΙ %) Ομοίως, αποτελεί μέτρο της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: 21

23 όπου, η rms τιμή της αρμονικής συνιστώσας τάξης n η rms τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης Συχνά για λόγους απλούστευσης (αν και θεωρητικά δεν είναι ορθό) χρησιμοποιείται η ονομαστική τάση αντί για τη θεμελιώδη συνιστώσα. Η ανώτερη τάξη αρμονικών, είναι η 40 η κατά IEC ( ) και η 50 η κατά ΙΕΕΕ ( ). Ο δείκτης που χρησιμοποιείται πιο συχνά, είναι ο σχετικός με την παραμόρφωση της τάσης, δηλαδή ο. Επειδή οι διαταραχές της τάσης διατηρούνται σε ένα χαμηλό επίπεδο, η χρήση του είναι ασφαλής, καθώς σχεδόν πάντα υπολογίζει τις τιμές που δεν απειλούν τη σωστή λειτουργία του συστήματος. Αυτό, από την άλλη, δεν ισχύει για το ρεύμα: ένα μικρό ρεύμα μπορεί να δίνει μεγάλη τιμή, αλλά να μην αποτελεί αξιοσημείωτη απειλή για το σύστημα. Συντελεστής Μερικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (PWHD %) Αποτελεί μέτρο της αρμονικής παραμόρφωσης υψηλής τάξης (Partial Weighted Harmonic Distortion) και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: όπου, η rms τιμή της αρμονικής συνιστώσας τάξης n η rms τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας του ρεύματος Στον υπολογισμό του PWHD λαμβάνονται υπόψη οι αρμονικές τάξης ανώτερης της 14 ης (μέχρι και, η οποία κατά IEC είναι η 40 η ). Ο συντελεστής αυτός χρησιμοποιείται στην αξιολόγηση σύνδεσης συσκευών χαμηλής τάσης και εξασφαλίζει ότι το αρμονικό περιεχόμενο υψηλών συχνοτήτων της κυματομορφής του ρεύματος είναι επαρκώς χαμηλό, ώστε να μην απαιτείται η εξέταση των επιμέρους αρμονικών. [4] Δείκτης ολικής αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος ως προς το μέγιστο ρεύμα φορτίου (Total Demand Distortion, TDD) Εκφράζεται ως εξής: 22

24 όπου, είναι η ενδεικνυόμενη τιμή του μέσου μέγιστου ρεύματος φορτίου. Το ρεύμα αυτό μπορεί να υπολογιστεί ως η μέση τιμή των μέγιστων τιμών του ρεύματος φορτίου ανά μήνα για τους προηγούμενους 12 μήνες ή μπορεί να χρειασθεί να γίνει εκτίμηση, αν για παράδειγμα πρόκειται να συνδεθεί στο δίκτυο ένας νέος καταναλωτής. Συντελεστής ισχύος από την ολική αρμονική παραμόρφωση Αποτελεί μια ένδειξη για το πόσο αποτελεσματικά λειτουργεί ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Όσο πιο κοντά στη μονάδα βρίσκεται η τιμή του, τόσο πιο αποδοτικά λειτουργεί το σύστημα. Συντελεστής κορυφής (Crest factor) Είναι μια ποσότητα στο πεδίο του χρόνου, η οποία δείχνει πόσο παραμορφωμένη είναι η κορυφή του ημιτονοειδούς σήματος. Ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης τιμής του πλάτους προς την ενεργό τιμή της τάσης: όπου, Για ένα καθαρό ημίτονο, το πλάτος του ισούται με 1, ενώ η rms τιμή είναι ίση με Έτσι, ο συντελεστής κορυφής ενός καθαρού ημιτόνου ισούται με Ο συντελεστής κορυφής μας δίνει πληροφορίες όχι μόνο για την "καθαρότητα" ενός σήματος, αλλά και για τη δυνατότητα ενός συστήματος να βγάλει στην έξοδο μια συγκεκριμένη τάση ή ρεύμα. Συντελεστής Κ (Κ factor) Ο συντελεστής Κ μιας κυματομορφής ρεύματος χρησιμοποιείται για να ποσοτικοποιήσει την επίδραση ενός παραμορφωμένου ρεύματος στο φορτίο ενός μετασχηματιστή και ορίζεται ως εξής: 23

25 Παρακάτω φαίνονται ορισμένες κυματομορφές ρεύματος από διάφορα μη γραμμικά φορτία. Σχήμα 1. 4 Κυματομορφές ρεύματος & δείκτης THD από διάφορα μη γραμμικά φορτία [11] 24

26 1.4. Επιπτώσεις Αρμονικών Τα περισσότερα συστήματα ισχύος μπορούν να αντιμετωπίσουν χωρίς πρόβλημα ένα συγκεκριμένο αριθμό αρμονικών συνιστωσών, όμως εάν οι αρμονικές συνιστώσες γίνουν ένα σημαντικό ποσοστό θα προκαλέσουν αξιοσημείωτες διαταραχές [8]. Παρακάτω παρουσιάζονται οι επιπτώσεις της ύπαρξης αρμονικών συνιστωσών. Πιθανότητα δημιουργίας Συντονισμού: Αρχικά, διακρίνονται δύο είδη συντονισμού σε ένα κύκλωμα όταν υπάρχει αντιστάθμιση πυκνωτών: συντονισμός σειράς και παράλληλος συντονισμός. Οι πυκνωτές αντιστάθμισης σε συνδυασμό με τις αυτεπαγωγές σκέδασης κυρίως των μετασχηματιστών αλλά και των καλωδίων δημιουργούν παράλληλα LC κυκλώματα, το καθένα από τα οποία κατέχει μια συχνότητα συντονισμού. Εάν η συχνότητα που παράγεται από το μη γραμμικό φορτίο συμπέσει με την συχνότητα συντονισμού του, τότε το κύκλωμα συντονίζεται με αποτέλεσμα την δημιουργία μιας θεωρητικά άπειρης τάσης στους ακροδέκτες του κυκλώματος και στην εμφάνιση πολύ μεγάλου ρεύματος. Συγκεκριμένα, η συνθέτη αντίσταση που παρουσιάζει ο κλάδος ελαχιστοποιείται με αποτέλεσμα να αυξάνει κατά πολύ το ρεύμα που τον διαρρέει. Στην πράξη, ο συντονισμός είναι ατελής λόγω των ωμικών αντιστάσεων του μετασχηματιστή και των καλωδίων και λόγω των μειωμένων πιθανοτήτων του ακριβούς συντονισμού των μεγεθών των LC στοιχείων με κάποια ακέραιη τιμή αρμονική ρεύματος. Το πλάτος των αρμονικών αυξάνεται (ηλεκτρική ταλάντωση) αυξάνοντας την ενεργό τάση και ένταση, ενώ η ενίσχυση αυξάνεται όσο πιο κοντά στη συχνότητα συντονισμού βρίσκεται το ρεύμα του μη γραμμικού φορτίου. Το πλάτος του κλάδου συντονισμού εξαρτάται από τις ωμικές παραμέτρους του συστήματος, οι οποίες λειτουργούν ως διατάξεις απόσβεσης. Ο συντονισμός σειράς σε αντίθεση με τον παράλληλο συντονισμό χαρακτηρίζεται από μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση στις πηγές αρμονικών τάσης που εμφανίζονται στο δίκτυο. Ένας συντονισμός πυκνωτών και μετασχηματιστών μπορεί να οδηγήσει σε υπερτάσεις που θα προκαλέσουν την καταστροφή των διηλεκτρικών των πυκνωτών, τήξη των ασφαλειών τους και θέση τους εκτός λειτουργίας και παράλληλα καταστροφή των μονώσεων των μετασχηματιστών μέχρι και λιώσιμο των καλωδίων. Ανάλυση Φαινομένου Συντονισμού Ένα κύκλωμα βρίσκεται σε συντονισμό, όταν η τάση τροφοδοσίας V και το ρεύμα Ι είναι σε φάση. Στο συντονισμό η ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος συμπεριφέρεται ως απλή ωμική αντίσταση R και ο συντελεστής ισχύος είναι ίσος με 1. Συντονισμός σειράς Το κύκλωμα σειράς RLC έχει σύνθετη αντίσταση: ( ) Σχήμα 1. 5 Ισοδύναμο Κύκλωμα [9] 25

27 Όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε συντονισμό θα είναι Χ=0, οπότε η συχνότητα συντονισμού προκύπτει: Στο συντονισμό, επειδή Χ=0 το μέτρο της σύνθετης αντίστασης: παίρνει την ελάχιστη τιμή Ζ=R και λόγω του νόμου του Ohm το ρεύμα γίνεται μέγιστο: Σχήμα 1. 6 Απόκριση Συχνότητας [9] Παράλληλος Συντονισμός Το παράλληλο κύκλωμα RLC έχει σύνθετη αγωγιμότητα: ( ) Όπου: Σχήμα 1. 7 Ισοδύναμο κύκλωμα [9] 26

28 Όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε συντονισμό θα είναι Β=0, οπότε η συχνότητα συντονισμού προκύπτει: Στο συντονισμό, επειδή Β=0 το μέτρο της σύνθετης αγωγιμότητας παίρνει την ελάχιστη τιμή Υ=G και λόγω του νόμου του Ohm το ρεύμα γίνεται ελάχιστο επίσης: Σχήμα 1. 8 Απόκριση Συχνότητας [9] Επιπτώσεις στις περιστρεφόμενες μηχανές: Οι αρμονικές συνιστώσες προκαλούν πτώση τάσης καθώς ρέουν στα καλώδια ενώ ορισμένες αρμονικές όπως η 3 η, η 5 η, η 8 η, η 11 η, η 14 η, η 17 η κ.λ.π. προκαλούν μηχανική καταπόνηση στις μηχανές λόγω της δημιουργίας αντίστροφου στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα εναλλαγές στην ηλεκτρομηχανική ροπή καθώς και την εμφάνισης ροπής πέδησης. Αυτά φαινόμενα γίνονται αντιληπτά ως υπερθέρμανση και γήρανση των μονώσεων της μηχανής. Επίσης επάγουν στον δρομέα υψίσυχνα ρεύματα με αποτέλεσμα την μειωμένη απόδοση, θορύβους υψηλής συχνότητας και την αύξηση της θερμοκρασίας των τυλιγμάτων, δηλαδή την αύξηση απωλειών σιδήρου και απωλειών χαλκού. Αυξάνονται επίσης οι απώλειες χαλκού στο στάτη καθώς συνδέονται με τη σχέση και συνεπώς εξαρτώνται από τη ροή του ρεύματος σε αυτόν και αυξάνονται λόγω της ροής των αρμονικών. Παράλληλα, παρατηρείται αύξηση των απωλειών «διασποράς» (stray losses), καθώς είναι συναρτήσει του ρεύματος και στης συχνότητας. Σημαντική επίπτωση στις μηχανές είναι η εμφάνιση του φαινομένου της στρεπτικής ταλάντωσης του άξονα των μηχανών, λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των θετικών και αρνητικών μαγνητικών πεδίων, το οποίο παράγει - μέσω των ρευμάτων που επάγονται- στρεπτικές ταλαντώσεις του άξονα των μηχανών. Αυτές οι ταλαντώσεις οδηγούν στις δονήσεις των αξόνων. Εάν η συχνότητα των ταλαντώσεων συμπίπτει με τη φυσική μηχανική συχνότητα του άξονα, οι δονήσεις ενισχύονται με αποτέλεσμα να γίνει σημαντική ζημιά στον άξονα των μηχανών. [10] 27

29 Επιπτώσεις στους μετασχηματιστές: Λόγω της επιπρόσθετης φόρτισης εμφανίζονται επιπλέον απώλειες χαλκού και σιδήρου (δινορευμάτων και υστέρησης). Τα δινορεύματα είναι κυκλικά ρεύματα που ρέουν στους αγωγούς του μετασχηματιστή και παράγονται εξαιτίας της διασποράς του μαγνητικού πεδίου σε αυτούς. Ιδιαίτερα, οι απώλειες χαλκού σε περιβάλλον με αρμονικές στο ανά μονάδα σύστημα (pu) δίνονται από τον τύπο [11]: όπου, η pu τιμή της αντίστασης των τυλιγμάτων. η ενεργός τιμή του ρεύματος στην αρμονική συνιστώσα τάξης n στο pu σύστημα. Ενώ, οι απώλειες σιδήρου σε περιβάλλον με αρμονικές στο ανά μονάδα σύστημα (pu) δίνονται από τον τύπο [11]: όπου, η pu τιμή των απωλειών σιδήρου του μετασχηματιστή με βάση τις ονομαστικές απώλειες του όταν διαρρέεται από ημιτονοειδές ρεύμα 50 HZ. η ενεργός τιμή του ρεύματος στην αρμονική συνιστώσα τάξης n στο pu σύστημα. Μια άλλη επίπτωση, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, είναι η κυκλοφορία των τριπλών αρμονικών ρεύματος σε τυλίγματα συνδεσμολογία τριγώνου, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει πιθανή υπερθέρμανση του μετασχηματιστή. Επιπτώσεις στους πυκνωτές [10]: Οι πυκνωτές επιβαρύνονται σε περιβάλλον με αρμονικές αφενός με τη πιθανή ύπαρξη συντονισμού όπως αναφέρθηκε παραπάνω και αφετέρου εξαιτίας των ορίων αντοχής που παρουσιάζει ο καθένας. Tα χαρακτηριστικά λειτουργίας των πυκνωτών καθορίζονται από standards της ΙΕΕΕ [12]. Σύμφωνα με αυτά, υπάρχουν κάποια όρια λειτουργίας τα οποία δεν πρέπει να υπερβαίνονται και αφορούν την παραγόμενη άεργη ισχύ, την εφαρμοζόμενη τάση και την ενεργό τιμή του ρεύματος που τους διαρρέει. Η μέγιστη τιμή της άεργου ισχύος των πυκνωτών καθορίζεται στο 135% της ονομαστικής. Το όριο αυτό θα πρέπει να ικανοποιεί : Την ονομαστική άεργο που παράγεται από την θεμελιώδη αρμονική Την πρόσθετη άεργο που παράγεται από πιθανές αρμονικές της τάσης Την πρόσθετη άεργο που παράγεται από ενδεχόμενη αύξηση του μέτρου της τάσης της θεμελιώδης αρμονικής (50Hz) Την πρόσθετη άεργο που παράγεται από την πρόσθετη χωρητικότητα λόγω κατασκευαστικής ανοχής (+10% είναι μια συνηθισμένη τυπική τιμή για τους περισσότερους κατασκευαστές). 28

30 Το όριο αυτό της παραγόμενης άεργου των πυκνωτών σε αρμονικό περιβάλλον, εκφραζόμενο στο pu σύστημα, δίνεται από την σχέση: [ ] όπου, η pu τιμή της συνολικής παραγόμενης άεργου ισχύος η ενεργός τιμή του ρεύματος στην αρμονική συνιστώσα τάξης n στο pu σύστημα Το δεύτερο όριο αφορά την εφαρμοζόμενη τάση στους πυκνωτές και καθορίζεται στο 110% της ονομαστικής. Δηλαδή, θα πρέπει να ισχύει η παρακάτω σχέση: [ ] όπου, η pu τιμή της συνολικής τάσης η ενεργός τιμή της τάσης στην αρμονική συνιστώσα τάξης n στο pu σύστημα Η παραπάνω ανίσωση δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση του φαινομένου corona στην διάρκεια ζωής των πυκνωτών το οποίο εξαρτάται από τη peak τιμή της τάσης. Έτσι, η επιτρεπόμενη εφαρμοζόμενη peak τιμή της τάσης στα άκρα των πυκνωτών λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο corona, σύμφωνα με τα διεθνή standard, εκφράζεται ως εξής: [ ] όπου, η peak σε pu τιμή της συνολικής τάσης Τέλος, το rms ρεύμα που περιλαμβάνει όλες τις αρμονικές δεν πρέπει να ξεπερνά το 1.8 per unit: [ ] Επιπτώσεις στα καλώδια: Όταν ένας αγωγός διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα έντασης, λόγω του ότι τα καλώδια διανομής παρουσιάζουν ωμική αντίσταση, εμφανίζονται ωμικές απώλειες υπό μορφή θερμότητας ίσες που ισούνται με, όπου η 29

31 αντίσταση του αγωγού. Η παρουσία των αρμονικών προκαλεί επιπρόσθετες απώλειες θερμότητας λόγω της ύπαρξης του επιδερμικού φαινομένου και του φαινομένου της γειτνίασης, καθώς και τα δύο φαινόμενα εξαρτώνται από την συχνότητα του ρεύματος, το μέγεθος και τη διάταξη των αγωγών στο χώρο. Ακόμη και στα 50 Hz, η σύνθετη αντίσταση του είναι μεγαλύτερη από τη dc αντίσταση. Αναλυτικότερα, η σύνθετη αντίσταση που εμφανίζει ένας αγωγός κατά τη διέλευση ενός παραμορφωμένου ρεύματος είναι ίση με τη dc αντίσταση του αγωγού προσαυξημένη κατά τρεις ποσότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τη συχνότητα. Η πρώτη ποσότητα οφείλεται στην εμφάνιση του επιδερμικού φαινομένου, η οποία καθίσταται ως και η μεγαλύτερη. Η δεύτερη ποσότητα οφείλεται στην εμφάνιση του φαινομένου της γειτνίασης του αγωγού με άλλους αγωγούς και έρχεται δεύτερη σε μέγεθος. Ενώ λιγότερο σημαντική από όλες είναι ποσότητα που οφείλεται στην εμφάνιση δινορευμάτων λόγω της γειτνίασης του αγωγού με το μανδύα του. Οι συνολικές απώλειες σε έναν αγωγό δίνονται από τον παρακάτω τύπο: όπου,, της n τάξης της αρμονικής. Συνολικά, οι επιπλέον απώλειες στους αγωγούς λόγω των αρμονικών αυξάνουν το λειτουργικό κόστος στα βιομηχανικά δίκτυα, μειώνουν την ικανότητα μεταφορά ρεύματος των καλωδίων και έχουν ως συνέπεια τη μείωση της ζωής του καλωδίου. Ο ακριβής υπολογισμός της ικανότητας μεταφοράς μη ημιτονοειδών ρευμάτων ενός καλωδίου είναι σημαντικός για την διαστασιολόγηση του μέσου προστασία του καλωδίου. Επίσης, ο υπολογισμός των επιπλέον απωλειών είναι απαραίτητος για την οικονομική αξιολόγηση των μέτρων, που απαιτούνται για τη μείωση των αρμονικών. Επιπτώσεις στα μέσα ζεύξης και προστασίας. Ηλεκτρονόμους, Διακόπτες και Aσφάλειες: Οι αρμονικές μπορούν να επηρεάσουν τα μέσα ζεύξης και προστασίας, με αποτέλεσμα την φθορά τους και την δυσλειτουργία τους. Ιδιαίτερα, αν η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται σε θερμικά μοντέλα ή για τον υπολογισμό της ενεργούς τιμής της έντασης χρησιμοποιείται το πλάτος της κυματομορφής, το όπιο σε αρμονικό περιβάλλον είναι παραμορφωμένο. Συγκεκριμένα, οι ηλεκτρονόμοι που είναι ευαίσθητοι στην τάση και οι τιμές κορυφής ρεύματος και η τάση και το ρεύμα που περνάει από το μηδέν, επηρεάζονται από την παρουσία της αρμονικής παραμόρφωσης. Οι αρμονικές συνιστώσες μπορούν να έχουν εμφανή επίδραση στη λειτουργία των διακοπτών, δεδομένου ότι μπορούν να προκαλέσουν υψηλό παραμορφωμένο ρεύμα, καθιστώντας έτσι τη διακοπή του ρεύματος δυσκολότερη. Ενώ, τα αρμονικά ρεύματα μπορούν να προκαλέσουν υπερβολική θέρμανση των ασφαλειών, υποβιβάζοντας τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους. Επιπτώσεις στους στατικούς μετατροπείς: Αφενός οι στατικοί μετατροπείς παράγουν τις αρμονικές, αφετέρου μπορεί να επηρεαστεί η λειτουργία τους από αυτές. Σε περιβάλλον με 30

32 αρμονικό περιεχόμενο εκτός των επιτρεπτών ορίων παρατηρείται πως αν οι διακόπτες των 50 Hz χρησιμοποιηθούν σε συστήματα των 400Hz θα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διακοπτικής τους ικανότητας έως και 90%. Στην πραγματικότητα οι πυκνωτές και τα φίλτρα μπορεί να υπόκεινται σε θερμική καταπόνηση ισχυρότερη από αυτή που προβλέπεται από το σχεδιασμό λόγω των αρμονικών ρευμάτων που παρέχονται από το δίκτυο. Επιπλέον οι αρμονικές μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία των μετατροπέων, όταν ο έλεγχος βασίζεται στην ανίχνευση του μηδενισμού του ρεύματος, προκαλώντας λάθος έναυση ή σφάλμα μεταγωγής. Παρόμοια με τα καλώδια το επιδερμικό φαινόμενο, το φαινόμενο της γειτνίασης και η επίδραση των δινορευμάτων επηρεάζει και τα μέρη των διακοπτών που διαρρέονται από ρεύμα. Δεδομένου ότι το φαινόμενο της γειτνίασης εξαρτάται από τη απόσταση μεταξύ των αγωγών, η επίδραση στους διακόπτες μέσης τάσης είναι μικρότερη από ότι σε αυτούς της χαμηλής τάσης. Αυτό έχει να κάνει με τις αποστάσεις που «κρατούνται» στη μέση τάση, οι οποίοι για λόγους ασφαλείας είναι μεγαλύτερες από εκείνες της χαμηλής τάσης. Οι απώλειες δινορευμάτων επιδρούν σημαντικά στου διακόπτες, όταν εκείνοι γειτνιάζουν με σιδερένιες ή χαλύβδινες κατασκευές ή με σχάρες καλωδίων. Λόγω της εξάρτησης των απωλειών αυτών από τη συχνότητα, ένα περιβάλλον με αρμονικές επιδεινώνει τις εν λόγω απώλειες. Επιπτώσεις στους Μετρητές και τις Ηλεκτρονικές συσκευές: Οι αρμονικές έχουν επιπτώσεις στη λειτουργία των μετρητών ενέργειας, σημειώνοντας λανθασμένες καταγραφές, ειδικά όταν ξεπερνούν το 5%. Στην πραγματικότητα παράγουν πρόσθετη ροπή και προκαλείται αύξηση στην ταχύτητα των εσωτερικών δίσκων. Ενώ, έχει παρατηρηθεί ότι σε περίπτωση φορτίων ελεγχόμενα από θυρίστορ, η ένδειξη των μετρητών είναι αυξημένη σε σχέση με την αναμενόμενη κατά μερικές ποσοστιαίες μονάδες επειδή το ρεύμα τροφοδότησης είναι μεγαλύτερο λόγω του αρμονικού περιεχομένου. Τέλος συσκευές, όπως οι τηλεοπτικές, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, συμβάλλουν στην παραγωγή αρμονικών διαταραχών, αλλά επηρεάζονται από την παρουσία αυτών και λόγω του αρμονικού περιβάλλοντος προκαλούνται διαταραχές σε ευαίσθητα φορτία, όπως ιατρικά μηχανήματα και υπολογιστές. Επιπτώσεις στα τηλεπικοινωνιακά σήματα: Η ύπαρξη αρμονικών σε συχνότητες μεγαλύτερες των 1 khz δυσχεραίνει τη χρησιμοποίηση του δικτύου για μεταφορά υψίσυχνων τηλεπικοινωνιακών σημάτων τα οποία εξυπηρετούν αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των διεσπαρμένων πηγών ενέργειας και του κέντρου ελέγχου του ηλεκτρικού συστήματος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η παραμόρφωση της τάσης μπορεί να επεκταθεί μέχρι και το σημείο σύνδεσης της βιομηχανίας με τη Δ.Ε.Η., η οποία επιβάλλει κυρώσεις αν η μόλυνση του δικτύου ξεπερνά το 0.5-6% αναλόγως του μεγέθους της αρμονικής. Ηλεκτρομαγνητική Παρεμβολή: Η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρομαγνητική παρενόχληση σε γειτονικές συσκευές που δεν συνδέονται άμεσα στο ηλεκτρικό δίκτυο (μέσω ακτινοβολίας). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση θορύβου και δυσλειτουργιών σε αυτές τις συσκευές, στην περίπτωση που δεν υπάρχει κατάλληλη μαγνητική θωράκιση. Οι αρμονικές μεγάλης συχνότητας δημιουργούν προβλήματα 31

33 ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιομηχανικούς χώρους στη λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου (προβλήματα στα PLC, λανθασμένες εντολές ελέγχου κλπ). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των νεκρών χρόνων από δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων και επομένως αύξηση του κόστους συντήρησης. Υψηλότερες Απώλειες: Μειώνεται η εφεδρεία της ηλεκτρικής εγκατάστασης καθώς τα ρεύματα που διαρρέουν τα καλώδια και του ηλεκτρικούς πίνακες είναι σημαντικά μεγαλύτερα λόγω των αρμονικών. Για παράδειγμα, ένα φορτίο 1,7 kw με τροφοδοσία 120 V απορροφά 14 Α και μπορεί να τροφοδοτηθεί από ένα πίνακα 15 Α. Όμως, φορτίο ίδιας ονομαστικής ισχύς με ανορθωτές και συντελεστή ισχύος 0,6 θα απορροφά ρεύμα 26,3 Α με άμεση συνέπεια την πτώση της ασφάλειας των 15 Α. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το συγκεκριμένο πρόβλημα δημιουργεί προβλήματα στην διαστασιολόγηση των μέσων ζεύξεως και προστασίας και καλωδίων. Ενώ, σημειώνεται σπατάλη ενέργειας με αποτέλεσμα οι λογαριασμοί κατανάλωσης ενεργείας να είναι υψηλότεροι. Φόρτιση ουδετέρου: Ο ουδέτερος υπερφορτίζεται καθώς το διανυσματικό άθροισμα των ρευμάτων που τον διαρρέουν δεν είναι πλέον ίσο με το μηδέν, όπως στην περίπτωση συμμετρικών φορτίων. Τα ρεύματα των διάφορων συχνοτήτων προστίθενται και αποτελούν υπολογίσιμη ποσότητα θέτοντας τις τιμές τάσης μεταξύ ουδετέρου και γης εκτός αποδεκτών ορίων. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο των τριπλών αρμονικών, το πιο σημαντικό μέρος του ρεύματος του ουδετέρου είναι η Τρίτη αρμονική. Μετρήσεις σε κυκλώματα φθορισμού δείχνουν πως το ρεύμα του ουδετέρου μπορεί να φτάσει μέχρι και 30% του ρεύματος γραμμής, ενώ σε άλλα γραμμικά φορτία το ποσοστό μπορεί να είναι και υψηλότερο, για υπόδειγμα τριφασικά συστήματα 4 αγωγών, έχοντας ως συνέπεια υπερφόρτιση του μετασχηματιστή και θόρυβο. Μείωση συντελεστή ισχύος: Η αύξηση της αρμονικής παραμόρφωσης στο ρεύμα προκαλεί τη μείωση του συντελεστή ισχύος. Όσο μεγαλύτερη είναι η παραμόρφωση του ρεύματος Η μείωση του συντελεστή ισχύος σημαίνει πως για την ίδια ενεργό ισχύ έχω υψηλότερη ζήτηση σε άεργο ισχύ ενώ αυτόματα σημαίνει υψηλότερη ζήτηση σε φαινόμενη ισχύ και συνεπώς μεγαλύτερη ζήτηση παροχής ρεύματος. 32

34 1.5. Όρια Αρμονικής Παραμόρφωσης Το 1973 συνέβησαν δύο γεγονότα που άλλαξαν το είδος του εξοπλισμού που εφαρμόζεται σε βιομηχανικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη ήταν το εμπάργκο πετρελαίου που αύξησε το κόστος της ενέργειας και η δεύτερη ήταν η χρησιμοποίηση στατικών μετατροπέων ισχύος στους κινητήρες μεταβλητών στροφών. Για να ελαχιστοποιηθεί το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο καθορίζεται από τη ζήτηση και τις κιλοβατώρες, οι χρήστες άρχισαν να εντάσσουν πυκνωτές στα συστήματά τους για τη μείωση των τιμών από τις εταιρείες κοινής ωφέλειας. Με την αυξημένη χρήση των στατικών μετατροπέων ισχύος που απαιτούν αρμονικά ρεύματα από το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, ανέκυψαν εμπόδια. Η επιτροπή Στατικών Μετατροπέων Ισχύος (Static Power Converter Committee) της Industry Applications Society αναγνώρισε το πρόβλημα και να έθεσε ένα πρότυπο που θα δώσει τις κατευθυντήριες γραμμές για τους χρήστες και τους μηχανικούς στην εφαρμογή στατικών μονάδων μετατροπέα και άλλων χρήσεων σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που δεν περιλαμβάνονται πυκνωτές. Το αποτέλεσμα ήταν IEEE , ΙEEE Οδηγός για τον Έλεγχο των Αρμονικών και για την Αντιστάθμιση Άεργου Ισχύος των Στατικών Μετατροπέων Ισχύος (ΙEEE Guide for Harmonic Control and Reactive Compensation of Static Power Converters). [13] Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται τα επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος για συστήματα διανομής από 120V ως 69kV, όπως παρουσιάζονται στα ΙΕΕΕ Std (Revision of IEE Std ) [14]. Σχήμα 1. 9 Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std [14] 33

35 Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζονται τα επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος για συστήματα διανομής από 69,1kV ως 161kV και άνω των 161,1 kv, όπως παρουσιάζονται στα ΙΕΕΕ Std (Revision of IEE Std ) [14]. Σχήμα Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std [14] 34

36 Το επόμενο σχήμα περιλαμβάνει τα όρια των αρμονικών τάσης που είναι αποδεκτά για διάφορα επίπεδα τάσης συστήματος. Τα αποδεκτά επίπεδα αρμονικών μειώνονται με την αύξηση του επιπέδου τάσης. Σχήμα Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης της τάσης ΙΕΕΕ Std [14] Οι πίνακες αυτοί ισχύουν για ανορθωτές έξι παλμών και για γενικές περιπτώσεις παραμόρφωσης. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές μετατόπισης φάσης ή μετατροπείς με αριθμό (p) παλμών μεγαλύτερο από έξι, τα όρια για τις χαρακτηριστικές αρμονικές αυξάνονται κατά ένα συντελεστή ίσο με: υπό την προϋπόθεση ότι τα πλάτη των μη χαρακτηριστικών αρμονικών είναι λιγότερο από το 25% των ορίων που καθορίζονται στους παραπάνω πίνακες. Σημαντικό είναι αναφερθεί το γεγονός, πως ως PCC-Σημείο κοινής ζεύξης (Point of common coupling) ορίζεται το ηλεκτρικό σημείο σύνδεσης ή το σημείο προσαρμογής μεταξύ συστήματος διανομής της εταιρίας παροχής ενεργείας και του συστήματος διανομής της βιομηχανικής εγκαταστάσεως του χρήστη. Συνήθως, για βιομηχανικούς και εμπορικούς χρήστες το PCC είναι συνήθως το πρωτεύον του μετασχηματιστή που τροφοδοτεί την εγκατάσταση. 35

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Αρχικά, το σημαντικότερο το οποίο πρέπει να σημειωθεί είναι η πρόληψη για την αποτροπή της εμφάνισης αρμονικών. Σε μεταγενέστερο στάδιο, η μείωση και η εξουδετέρωση των αρμονικών γίνεται χρησιμοποιώντας φίλτρα. 2.1 Αποτροπή Δημιουργίας Αρμονικών Μείωση των παραγόμενων αρμονικών μπορεί να επιτευχθεί αλλάζοντας συγκεκριμένα χαρακτηριστικά μη γραμμικών φορτίων. Συγκεκριμένα, δύο φορτία με παραγωγή πλούσιου αρμονικού περιβάλλοντος είναι οι ανορθωτές/αντιστροφείς και τα DC τροφοδοτικά. Ειδικότερα, μείωση του πλάτους των αρμονικών και εξάλειψη των αρμονικών χαμηλών συχνοτήτων επιτυγχάνεται με την αύξηση των παλμών του ανορθωτή/αντιστροφέα. Όπως θα δούμε παρακάτω αναλυτικότερα, αλλάζοντας έναν μετατροπέα 6 παλμών σε έναν μετατροπέα των 12 παλμών, οι αρμονικές της 5 ης και 7 ης τάξης εξουδετερώνονται [15]. 2.2 Φίλτρα Απόσβεσης Αρμονικών Τα φίλτρα απόσβεσης αρμονικών είναι συστήματα τα οποία παγιδεύουν τις αρμονικές και δεν τις επιτρέπουν να διεισδύσουν στο δίκτυο. Αποτελούνται από συνδυασμό πηνίων και ειδικών πυκνωτών κατάλληλα διαστασιολογημένων, ώστε να συντονίζουν (να ελαχιστοποιούν τη σύνθετη αντίσταση τους) σε επιλεγμένες συχνότητες και διαχωρίζονται σε βαθμίδες. Παρέχουν τη δυνατότητα ελέγχου από ρυθμιστή, ο οποίος ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου θέτει εντός ή εκτός τις βαθμίδες πηνίων-πυκνωτών, ώστε να αποφεύγεται το φαινόμενο της υπεραντιστάθμισης [7]. Η τοποθέτηση των φίλτρων μπορεί να γίνει σε δύο σημεία, είτε τοπικά είτε κεντρικά. Τα τοπικά φίλτρα εγκαθίστανται σε ένα μη γραμμικό φορτίο απορροφώντας μέρος ή σύνολο των αρμονικών και παρέχοντας παράλληλα τοπική αντιστάθμιση άεργης ισχύος (βελτιώνει το τοπικό ). Αυτά τα φίλτρα είναι σταθερά και ακολουθούν την λειτουργία του αντίστοιχου μη γραμμικού φορτίου. Τα κεντρικά φίλτρα εγκαθίστανται σε μερικούς ή γενικούς ηλεκτρικούς πίνακες και ελέγχουν τις αρμονικές και την άεργο ισχύ του φορτίου. Τα φίλτρα αυτά μπορεί να χρησιμοποιούν ρυθμιστές άεργου. Οι συγκεκριμένες διατάξεις μετρούν την άεργο ισχύ του συστήματος και για την επίτευξη του επιθυμητού, ενεργοποιούν τα πηνία των ρελέ των αντίστοιχων φίλτρων εντάσσοντας τα στο σύστημα. Πολλές φορές επιλέγεται η εισαγωγή των φίλτρων να γίνεται με βήματα. 36

38 2.2.1 Κατηγορίες Αρμονικών Φίλτρων Τα φίλτρα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Τα παθητικά φίλτρα (passive harmonic filters) Τα ενεργά φίλτρα (active harmonic filters) Τα υβριδικά φίλτρα (hybrid active filters) Ένα παθητικό αρμονικό φίλτρο κατασκευάζεται με τη χρήση μιας διάταξης πυκνωτών, επαγωγικών στοιχείων και αντιστάσεων. Τα φίλτρα παρέχουν μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης στα αρμονικά ρεύματα, εμποδίζοντας την εισαγωγή τους στο δίκτυο. Παράλληλα, σχεδιάζονται να έχουν παθητική συμπεριφορά στην θεμελιώδη συχνότητα, ώστε να χρησιμοποιούνται επίσης για αντιστάθμιση έργου ισχύος και διόρθωση του συντελεστή ισχύος [16]. Τα παθητικά φίλτρα ανάλογα με τις χαρακτηριστικές τους διακρίνονται σε 4 κατηγορίες: Ζωνοπερατά φίλτρα (band-pass filters), τα οποία επιτρέπουν την διέλευση μιας μπάντας συχνοτήτων μεταξύ δύο συχνοτήτων και και μηδενίζουν τα σήματα με συχνότητα έξω από αυτή τη ζώνη. Σχήμα 2. 1 Γραφική παράσταση ζωνοπερατού φίλτρου [17] Χαμηλοπερατά φίλτρα (low-pass filters), τα οποία αποκόπτουν υψηλές συχνότητες και αφήνουν να περάσουν απαραμόρφωτα τα ηλεκτρικά σήματα μέχρι μια ορισμένη συχνότητα αποκοπής, ενώ μηδενίζουν κάθε ηλεκτρικό σήμα με συχνότητα μεγαλύτερη από την [17]. Σχήμα 2. 2 Γραφική παράσταση χαμηλοπερατού φίλτρου [17] 37

39 Υψιπερατά φίλτρα (high-pass filters), τα οποία αποκόπτουν χαμηλές συχνότητες και αφήνουν να περάσουν απαραμόρφωτα τα ηλεκτρικά σήματα μεγαλύτερη από μια ορισμένη συχνότητα αποκοπής, ενώ μηδενίζουν κάθε ηλεκτρικό σήμα με συχνότητα μικρότερη από την Σχήμα 2. 3 Γραφική παράσταση υψιπερατού φίλτρου [17] Ζωνοφρακτικά φίλτρα (band-reject filters), τα οποία είναι σχεδιασμένα να μηδενίζουν τα ηλεκτρικά σήματα με συχνότητα μεταξύ δύο συχνοτήτων και ενώ αφήνουν να περάσουν απαραμόρφωτα όλα τα σήματα με συχνότητα έξω από αυτή τη μπάντα συχνοτήτων [15]. Σχήμα 2. 4 Γραφική παράσταση ζωνοφρακτικού φίλτρου [17] Τα παθητικά φίλτρα επίσης χωρίζονται με βάση τον τρόπο που συνδέονται στο φορτίο [7]: Σειριακά φίλτρα: τοποθετούνται σε σειρά με το φορτίο και χρησιμοποιούνται παράλληλα στοιχειά (παράλληλη σύνδεση πηνίων και πυκνωτών), ενώ αποτελούν ουσιαστικά μια διάταξη απόρριψης ρεύματος Παράλληλο φίλτρο: τοποθετούνται παράλληλα με το φορτίο και τα στοιχειά που κατασκευάζονται σε σειρά, ενώ αποτελούν μια διάταξη «αποδοχής» ρεύματος. Η επιλογή του τύπου του φίλτρου, του μεγέθους του και της συνδεσμολογίας, γίνεται μετά από μετρήσεις αρμονικών ρεύματος και τάσης στα διάφορα φορτία της εγκατάστασης. Επιπλέον απαιτούνται υπολογισμοί ή ακόμη και προσομοίωση του ηλεκτρικού δικτύου της εγκατάστασης με ειδικό λογισμικό. Μια λανθασμένη επιλογή μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή των ίδιων των φίλτρων λόγω υπερφόρτισης τους [10]. 38

40 Τα φίλτρα αρμονικών που συναντώνται είναι παράλληλης συνδεσμολογίας, καθώς συνδέονται παράλληλα με το σύστημα ισχύος και σχηματίζουν κλάδους χαμηλής αντίστασης προς τη γη για ένα ή περισσότερα ρεύματα αρμονικών. Τα εν λόγω φίλτρα είναι πιο οικονομικά και πρακτικά από τα σε σειρά καθώς: Η διαστασιολόγηση των σε σειρά συνδεδεμένων φίλτρων γίνεται στην πλήρη ισχύ του συστήματος. Η θεμελιώδη αρμονική, δηλαδή η συνιστώσα της συχνότητας που φέρει σχεδόν όλη την ισχύ του συστήματος διέρχεται από το φίλτρο και αυτό έχει ως συνέπεια μεγαλύτερα μεγέθη και σε κόστος στοιχεία. Η διαστασιολόγηση των εν παραλλήλω συνδεδεμένων φίλτρων γίνεται με βάση την ισχύ των αρμονικών που πρόκειται αν αποκόψουν και λειτουργούν με μέρος της τάσης του συστήματος, με συνέπεια μικρότερα και οικονομικότερα στοιχεία. Τα εν παραλλήλω συνδεδεμένα φίλτρα διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες, όπως φαίνονται στην παρακάτω εικόνα: (α) Μονοσυντονιζόμενα φίλτρα ή φίλτρα απλού συντονισμού (ζωνοδιαβατά) (single tuned filters) (β) Διπλοσυντονιζόμενα φίλτρα ή φίλτρα διπλού συντονισμού (double tuned filters) (γ) Τριπλοσυντονιζόμενα φίλτρα ή φίλτρα τριπλού συντονισμού (triple tuned filters) (δ) Αποσβεννύμενα φίλτρα πρώτης, δευτέρας τάξης (υψιπερατά) (damped filters) Σχήμα 2. 5 Κυκλωματική δομή ανά φάση του δικτύου τα (α), (β) (γ) (δ) αναφέρονται παραπάνω [3] 39

41 Αναλυτικά, τα φίλτρα απλού συντονισμού καταστέλλουν μία αρμονική, τα φίλτρα διπλού συντονισμού καταστέλλουν δύο μαζί, ενώ για τη μείωση του κόστους έχουν αναπτυχθεί τα φίλτρα τριπλού συντονισμού για την καταστολή τριών αρμονικών. Στον περιορισμό των αρμονικών ρευμάτων με μεγαλύτερη τάξη χρησιμοποιούνται τα υψιπερατά φίλτρα. Τα δομικά στοιχεία των φίλτρων προστατεύονται με απαγωγείς υπερτάσεων [3]. Με τα συντονιζόμενα φίλτρα αποκοπής αρμονικών πετυχαίνεται άριστη μείωση της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης στο δίκτυο καθώς αποκόπτουν ακριβώς τις αρμονικές που υπάρχουν σε αυτό. Οι συχνότητες των ρευμάτων που πρέπει να αποκοπούν συντονίζονται σχεδόν ακριβώς με τα εν λόγω φίλτρα. Πλεονεκτήματα των συντονισμένων φίλτρων είναι: Η άριστη αποκοπή της αρμονικής παραμόρφωσης, η οποία προέρχεται από το ρεύμα που βρίσκεται στη συχνότητα συντονισμού τους. Η προσφορά, αν και σε μικρότερο βαθμό, σε αντιστάθμιση άεργου ισχύος στο δίκτυο. Μειονεκτήματα των συντονιζόμενων φίλτρων είναι: Οι υπερβολικά μικρές σύνθετες αντιστάσεις των φίλτρων, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία υψηλών ρευμάτων αρμονικών. Αυτά τα ρεύματα οδηγούν τους πυκνωτές σε μεγάλη καταπόνηση. Δεν επιτυγχάνουν εύκολα αντιστάθμιση της άεργου ισχύος σε δυναμικά φορτία. Είναι επιρρεπή στην απορρόφηση αρμονικών από τη μεριά της υψηλής τάσης του μετασχηματιστή ισχύος. Τα παραπάνω δεδομένα καθιστούν τα συντονιζόμενα φίλτρα αποκοπής αρμονικών απαιτητικά στο σχεδιασμό, στην υλοποίηση και την εγκατάσταση τους. Με τα αποσβενόμενα φίλτρα αποκοπής αρμονικών πετυχαίνεται έλεγχος υψηλών τάξεων αρμονικών και συνήθως συντονίζονται στα ζευγάρια αρμονικών 11 η 13 η και 17 η 19 η. Παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση και συνήθως χρησιμοποιούνται κοντά στη θεμελιώδη συχνότητα, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες [7]. Σχήμα 2. 6 Κυκλωματική δομή ανά φάση του δικτύου των υψιπερατών αποσβενόμενων φίλτρων (α) πρώτης τάξης (β) δεύτερης τάξης (γ) τρίτης τάξης [7] 40

42 Κατά τον σχεδιασμό των παθητικών φίλτρων απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά την επιλογή των χαρακτηριστικών τους καθώς υπάρχει κίνδυνος αντί να μειωθεί το πρόβλημα των αρμονικών να αυξηθεί. Ειδικότερα, σε κάθε αλλαγή στην τοπολογία του δικτύου πρέπει μέσω μελέτης να βεβαιωθεί πως δεν πρόκειται να συμβεί κάποιος συντονισμός, ο οποίος θα μπορούσε να προκαλέσει σημαντικές βλάβες όπως προαναφέρθηκε [10]. Ενώ παράλληλα, για ένα ισχυρό φιλτράρισμα των αρμονικών λαμβάνεται υπόψη η σύνθετη αντίσταση του δικτύου στις αρμονικές συχνότητες. Όμως, η σύνθετη αντίσταση του ac δικτύου δεν είναι σταθερή και εξαρτάται από το φορτίο, τις συνδεδεμένες γεννήτριες παραγωγής και τις γραμμές μεταφοράς. Αυτό έχει ως συνέπεια, η απόδοση των φίλτρων να μην είναι σταθερή και να εξαρτάται από την σύνθετη αντίσταση του δικτύου [3]. Τα ενεργά αρμονικά φίλτρα είναι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που παράγουν και διοχετεύουν στο δίκτυο το αντίθετο ρεύμα αρμονικών από αυτό που δημιουργούν οι πηγές αρμονικών του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο το ac ρεύμα της πηγής είναι απαλλαγμένο από αρμονικές [3]. Η ικανότητα του ενεργού φίλτρου να εξουδετερώνει τα αρμονικά ρεύματα, παράγοντας πρόσθετα ρεύματα ίσου πλάτους αλλά αντίθετης φάσης, εξαρτάται από την ευαισθησία του αισθητήρα μέτρησης των αρμονικών ρευμάτων στη dc γραμμή μεταφοράς και τη διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα, τόσο υψηλότερης τάξης αρμονικά ρεύματα καταστέλλονται. Η δομή της διάταξης ελέγχου επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του ενεργού φίλτρου [3]. Τα τριφασικά ενεργά ac φίλτρα αποτελούνται συνήθως από τρία μονοφασικά φίλτρα. Το ενεργό ac φίλτρο τοποθετείται στην είσοδο του μετασχηματιστή, μέσω ενός παθητικού ac φίλτρου σε σύνδεση σειράς [3]. Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου απαιτείται περισσότερο μείωση της αρμονικής παραμόρφωσης παρά αντιστάθμιση άεργου ισχύος (. Είναι ακριβή λύση και για αυτό συναντάται στις παρακάτω περιπτώσεις: Σε εγκαταστάσεις με πολλά μη γραμμικά φορτία Οι απαιτήσεις για καλή ποιότητα τάσης και ρεύματος είναι αρκετά υψηλές ( ) Σημειώνεται δυναμική μεταβολή της αρμονικής παραμόρφωσης Υπάρχουν ταχέως μεταβαλλόμενα μη γραμμικά φορτία (π.χ. νοσοκομεία κτλ ) Υπάρχει ευαίσθητος ηλεκτρονικός εξοπλισμός Πλεονεκτήματα των ενεργών φίλτρων είναι: Η ολοκληρωτική αποκοπή των αρμονικών που εμφανίζονται στο δίκτυο, επιτυγχάνοντας σχεδόν 100% μείωση της ολικής αρμονικής παραμόρφωσης. Είναι εύκολα στην εγκατάσταση, αφού δεν πιάνουν ιδιαίτερο χώρο. Δεν υπερφορτίζονται. Η δυναμική αλλαγή στην ολική αρμονική παραμόρφωση του δικτύου δεν επηρεάζει την λειτουργία τους, εφόσον το ρεύμα που παράγουν και διοχετεύουν είναι αντίθετο κάθε χρονική στιγμή. Τα ενεργά φίλτρα έχουν ελάχιστες απαιτήσεις σε ισχύ. Μειονεκτήματα των ενεργών φίλτρων είναι: Είναι πολύ ακριβά. 41

43 Δεν προσφέρουν αντιστάθμιση άεργου ισχύος, καθιστώντας ακριβότερη σαν λύση από την επιλογή ενός παθητικού φίλτρου, δεδομένου πως θα χρειαστεί διάταξη για βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Παρακάτω παρουσιάζονται δυο σχήματα με την εισαγωγή ενός ενεργού φίλτρου εν παραλλήλω και σε σειρά αντίστοιχα. Σχήμα 2. 7 Τοποθέτηση του ενεργού φίλτρου εν παραλλήλω [32] Σχήμα 2. 8 Τοποθέτηση του ενεργού φίλτρου σε σειρά [32] Ένα υβριδικό αρμονικό φίλτρο κατασκευάζεται από τον συνδυασμό ενός ενεργού και ενός παθητικού φίλτρου, τα όποια επιτυγχάνουν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στο φιλτράρισμα αρμονικών αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα και των δυο είδη φίλτρων. Ένας τέτοιος συνδυασμός καθιστά δυνατή τη μείωση των χαρακτηριστικών μεγεθών (rating) του ενεργού φίλτρου, ενώ περιορίζεται η τάση λειτουργιάς και η μεταβατική καταπόνηση του ενεργού φίλτρου. Ο ρόλος του ενεργού φίλτρου δεν είναι πλέον να αντισταθμίσει τα αρμονικά ρεύματα που παράγονται από τον ανορθωτή αλλά να πετύχει «αρμονική παραμόρφωση» ανάμεσα στην τροφοδοσία και στο φορτίο. Το αποτέλεσμα που 42

44 επιτυγχάνεται είναι η αποφυγή οποιαδήποτε αρμονικού συντονισμού και την εξάλειψη αρμονικών ρευμάτων προς την τροφοδοσία. Επιπλέον, το παθητικό τμήμα του φίλτρου χρησιμοποιείται μόνο του, ως συμβατικό φίλτρο στην καταστολή των αρμονικών, σε περίπτωση βλάβης ή συντήρησης του ενεργού φίλτρου. Παρακάτω παρουσιάζονται δυο σχήματα με υβριδικά φίλτρα εν παραλλήλω και σε σειρά αντίστοιχα. Σχήμα 2. 9 Υβριδικό φίλτρο παραλλήλω [33] Σχήμα Υβριδικό φίλτρο σε σειρά [34] 43

45 2.2.2 Δυνατότητες και Περιορισμοί των Παθητικών Αρμονικών Φίλτρων Οι δυνατότητες που παρουσιάζουν τα συγκεκριμένα φίλτρα είναι [18]: Καλά σχεδιασμένα παθητικά φίλτρα μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλα μεγέθη από Μvars και να παρέχουν σχεδόν δωρεάν παροχές (δεν έχουν περιστρεφόμενα μέρη). Η εφαρμογή είναι πιο οικονομικά συμφέρουσα σε σχέση με περιστρεφόμενα μέσα, όπως για παράδειγμα τους σύγχρονους πυκνωτές. Ένας γρήγορος χρόνος απόκρισης της τάξης του ενός κύκλου ή μικρότερου μπορεί να επιτευχθεί, το οποίο είναι σημαντικό για τη διόρθωση των βυθίσεων τάσης λόγω του φαινόμενου flicker. Σε αντίθεση με τις περιστροφικές μηχανές (σύγχρονους κινητήρες ή σύγχρονους πυκνωτές) δεν συμβάλλουν στο ρεύμα βραχυκυκλώματος. Μια μόνο εγκατάσταση μπορεί να εξυπηρετήσει πολλούς σκοπούς, δηλαδή την αντιστάθμιση αέργου ισχύος και βελτίωση του συντελεστή ισχύος, μειώνοντας τον δέκτη TDD σε αποδεκτά όρια, την διατήρηση της τάσης σε κρίσιμες συνθήκες, όπως στην περίπτωση της απόρριψης μιας πηγής, καθώς και τη μείωση της πτώσης τάσης κατά την εκκίνηση ενός μεγάλου κινητήρα. Όταν η επιλογή είναι ανάμεσα σε ένα παθητικό και ενεργό φίλτρο, το παθητικό είναι πιο συμφέρον οικονομικά. Αντιθέτως, οι περιορισμοί που παρουσιάζουν τα συγκεκριμένα φίλτρα είναι [18]: Τα παθητικά φίλτρα δεν είναι κατάλληλα όταν συμβαίνουν μεταβολές στις συνθήκες του συστήματος. Μόλις εγκατασταθούν, δεν μπορούν να τοποθετηθούν σε άλλη θέση. Ενώ, ούτε η συχνότητα συντονισμού ούτε το μέγεθος των φίλτρων μπορεί να αλλάξει τόσο εύκολα. Τα παθητικά στοιχεία του φίλτρου παρουσιάζουν μικρή ανοχή. Η αλλαγή των συνθηκών λειτουργίας του συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε αποσυντονισμό, αν και κατά τον σχεδιασμό ενός φίλτρου λαμβάνονται υπόψη οι μεταβολές του φορτίου και η σύνθετη αντίσταση της πηγής. Η σύνθετη αντίσταση του συστήματος επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το σχεδιασμό. Για να είναι αποτελεσματικό, η σύνθετη αντίσταση του φίλτρου πρέπει να είναι μικρότερη από ότι η σύνθετη αντίσταση του συστήματος, γεγονός που δυσχεραίνει το σχεδιασμό παθητικών φίλτρων σε άκαμπτα συστήματα. Η Διακοπή λειτουργίας ενός παράλληλου κλάδου μπορεί να αλλάξει εντελώς την συχνότητα συντονισμού, με αποτέλεσμα την υπερβολική καταπόνηση του φίλτρου και την αυξημένη αρμονική παραμόρφωση. Ο παράλληλος συντονισμούς μεταξύ του συστήματος και του φίλτρου (μετατοπισμένη συχνότητα συντονισμού) για μονοσυντονιζόμενα ή διπλοσυντονιζόμενα φίλτρα μπορεί να προκαλέσει πολλαπλασιασμό του ρεύματος στις χαρακτηριστικές και μη χαρακτηριστικές αρμονικές. Κατά τον σχεδιασμό οι επιλογές είναι περιορισμένες στην εκλογή συχνότητας και στην εξασφάλιση 44

46 επαρκούς εύρους ζώνης μεταξύ των μετατοπισμένων συχνοτήτων και των περιττών αρμονικών. Αποσβενόμενα φίλτρα δεν οδηγούν σε μετατόπιση της συχνότητας συντονισμού. Ωστόσο, δεν είναι τόσο αποτελεσματικά. Η γήρανση, η φθορά και η επίδραση της θερμοκρασίας μπορεί να αυξήσει τις ανοχές και να οδηγήσει σε αποσυντονισμό, αν και αυτές οι επιδράσεις μπορεί να έχουν ληφθεί υπόψη στο στάδιο του σχεδιασμού. Απαιτούνται διακόπτες κυκλώματος για τον έλεγχο των μεταγωγών και μπορεί να απαιτείται απόζευξη, μολονότι οι αντιδράσεις του φίλτρου θα μειώσουν το μέγεθος του ρεύματος εισροής και τη συχνότητά του. Οι γειωμένοι ουδέτεροι των φίλτρων συνδεδεμένων σε αστέρα παρέχουν μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης για την τρίτη αρμονική. Ενίσχυση της τρίτης αρμονικής μπορεί να συμβεί σε ορισμένες περιπτώσεις. Για τα βιομηχανικά συστήματα, οι τριφασικοί πυκνωτές είναι, σε γενικές γραμμές, συνδεμένοι σε αστέρα, με αγείωτο τον ουδέτερο. Επίσης, απαιτούνται ειδικές συσκευές προστασίας και παρακολούθησης. Μονοσυντονιζόμενα ή διπλοσυντονιζόμενα φίλτρα δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για ορισμένα φορτία όπως για τους κυκλομετατροπείς ή όταν το σύστημα παρουσιάζει ενδιάμεσες αρμονικές. Τα φίλτρα μπορούν να είναι είτε εντός είτε εκτός. Έτσι, ένας μη βηματικός έλεγχος της άεργου ισχύος με αύξηση της ζήτησης φορτίου δεν είναι εφικτός. Το φίλτρο μπορεί να είναι είτε εντός είτε εκτός με τάση, ρεύμα ή έλεγχο άεργου ισχύος, για την αποφυγή της δημιουργίας επαγωγικής άεργου ισχύος στα φορτία. Κατά τον σχεδιασμό μπορεί να απαιτηθεί η αύξηση του μεγέθους του φίλτρου για τον έλεγχο του δείκτη TDD. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υπερτάσεις, όταν τα φίλτρα είναι εντός και οδηγήσει σε υποτάσεις, όταν αυτά είναι εκτός. Ένας αποσυντονισμός μπορεί να προκληθεί όταν καταναλωτές τοποθετούν φίλτρα στα συστήματα διανομής. 45

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3-ΠΕΡΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Για την μετατροπή AC-DC χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικοί μετατροπείς. Οι δύο κυριότεροι σύγχρονοι τύποι μετατροπέων είναι ο μετατροπέας πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής (current source converter line-commutated, CSC) και ο μετατροπέας πηγής τάσης εξαναγκασμένης μεταγωγής (Self-Commutated Voltage Source Converter, VSC). Άλλος τύπος μετατροπέα είναι ο μετατροπέας μεταγωγής μέσω Πυκνωτών (Capacitor Commutated Converter, CCC). 3.1 Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής CSC Αν η επαγωγική αντίδραση είναι στην DC πλευρά έχω μεταφορά του ακριβούς ρεύματος, όπως παρατηρούμε στο σχήμα 3.1. Συνεπώς, έχω μετατροπέα διαμόρφωσης ρεύματος (CSC) με τη δυνατότητα μεταβολής της DC τάσης ελέγχοντας το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτικών στοιχείων [19]. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται βασίζονται σε θυρίστορ, ο οποίος είναι ένας ελεγχόμενος ημιαγωγικός διακόπτης που μπορεί να αντέξει σε αρκετά υψηλά ρεύματα (4000 Α) και είναι ικανός να διακόψει πολύ υψηλές τάσεις (μέχρι 10 kv). Συνδέοντας πολλά θυρίστορ σε σειρά είναι δυνατόν να χτίσουμε μία μονάδα με θυρίστορ, η οποία μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλές τάσεις (μερικές εκατοντάδες kv). [20] Παρατηρούμε, πως στην AC πλευρά η πηγή τάσης είναι σταθερή. Η φυσική μεταγωγή βασίζεται στο φυσικό μηδενισμό του ρεύματος, το οποίο δημιουργείται από το εξωτερικό κύκλωμα για τη μεταφορά του ρεύματος από διακόπτη σε διακόπτη, ενώ η σβέση των διακοπτών επιβάλλεται από τις τάσεις του ac δικτύου. Σχήμα 3. 1 Μετατροπέας πηγής ρεύματος [21] Σε αυτόν τον μετατροπέα έχουμε λειτουργία στα τεταρτημόρια 3 και 4, όπως παρατηρούμε στο σχήμα 3.2, γεγονός που επιτρέπει, την μεταφορά ενεργού ισχύος και στις δυο κατευθύνσεις αλλά την απορρόφηση άεργου ισχύος. Η ροή του DC ρεύματος είναι μονής κατεύθυνσης αλλά η DC τάση μπορεί να αναστραφεί. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας επιτυγχάνεται αποκλειστικά με τα θυρίστορ με ελεγχόμενη τη γωνία έναυσης [19]. 46

48 Σχήμα 3. 2 Διάγραμμα τεσσάρων τεταρτημορίων χρησιμοποιώντας την τάση ως αναφορά [19] Συνεπώς, η μετατροπή με θυρίστορ παρέχει έλεγχο της ενεργούς ισχύος στην διαδικασία τόσο της ανόρθωσης όσο και της αντιστροφής εις βάρος της μεγάλης και μεταβαλλόμενης άεργου ισχύος. Και οι δύο διαδικασίες ανόρθωσης και αντιστροφής απαιτούν την κατανάλωση άεργου ισχύος, καθώς η μεταγωγή γίνεται από την πηγή τάσης και η επαγωγική αντίδραση διαρροής του μετασχηματιστή μετατροπέα (converter transformer) κυριαρχεί στο κύκλωμα της μεταγωγής. Για αυτό, η θεμελιώδης συνιστώσα του ρεύματος έπεται πάντα της τάσης [19]. Το AC σύστημα έχει επαγωγικό χαρακτήρα και γι αυτό απαιτείται η τοποθέτηση παράλληλων πυκνωτών στην AC πλευρά του αντιστροφέα. Η εγκατεστημένη αντίδραση είναι συνήθως υπό τη μορφή παθητικών φίλτρων (η οποία αντίδραση για όλες τις συχνότητες κάτω από τη συντονισμένη θα είναι χωρητική), αλλά συχνά κάποιοι επιπλέον πυκνωτές πρέπει να προστεθούν για την παροχή της απαιτούμενης αντιστάθμισης άεργου ισχύος [19]. 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 να είναι η ανταλλαγή άεργου ισχύος, έτσι ώστε να έχουμε κυμάτωση της τάσης μέσα στα επιθυμητά πλαίσια [20]. Συνοψίζοντας, η έλλειψη του ελέγχου σβέσης των συμβατικών θυρίστορ έχει ως αποτέλεσμα χαμηλούς συντελεστές ισχύος και σημαντική παραμόρφωση της κυματομορφής [19]. Καταληκτικά, τα μειονεκτήματα των συγκεκριμένων μετατροπέων, που οδήγησαν στην ανάπτυξη μεταφορέων με πιο αναπτυγμένες διακοπτικές διατάξεις, οι οποίες θα αναπτυχτούν παρακάτω, είναι τα ακόλουθα [19]: Οι μεγάλες απαιτήσεις άεργου ισχύος Η έγχυση αρμονικών χαμηλής τάξεως Ο κίνδυνος του αντιστροφέα για αποτυχία της μεταγωγής Η εξάρτηση των μετατροπέων από ισχυρά ac συστήματα για την παροχή των απαιτούμενων τάσεων μεταγωγής. 47

49 3.1.1 Συνηθέστερη Διάταξη Μετατροπέων πηγής ρεύματος - Δωδεκαπαλμικός μετατροπέας -Διαμόρφωση Διπλής Γέφυρας Επειδή στη μεταφορά HVDC υπάρχουν υψηλά επίπεδα ισχύος, είναι σημαντική η ελάττωση των αρμονικών του ρεύματος που παράγονται στην ac πλευρά και η κυμάτωση της τάσης που παράγεται στην dc πλευρά του μετατροπέα. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της μετατροπής 12 παλμών, που απαιτεί δυο μετατροπείς 6 παλμών συνδεδεμένου μέσω ενός μετασχηματιστή Υ-Υ ή Δ-Υ, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3 [22]. Η χρησιμοποίηση δυο γεφυρών (είτε εν παραλλήλω είτε εν σειρά στην DC πλευρά), η μια εκ των οποίων είναι σε συνδεσμολογία αστέρα-αστέρα και η άλλη είτε σε συνδεσμολογία τριγώνου-αστέρα είτε σε συνδεσμολογία αστέρα-τριγώνου (οι τάσεις τροφοδοσίας εμφανίζουν μια μετατόπισης φάσης 30 ο ή 150 ο ) θα εισάγει μόνο αρμονικές της τάξεως στην AC πλευρά [19]. Εξαιτίας της υψηλότερης τάξη των αρμονικών στο μετατροπέα δώδεκα παλμών, ο περιορισμό τους από τα ac φίλτρα είναι ευκολότερος [3]. Η διαμόρφωση με διπλή γέφυρα συνδεδεμένη εν σειρά, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, έχει γίνει η πιο διαδεδομένη διαμόρφωση στην μεταφορά HVDC για την επίτευξη υψηλής τάσης. Επομένως, οι τάσεις εξόδου των δύο 6-παλμικών μετατροπέων αθροίζονται. Ο δωδεκαπαλμικός μετατροπέας απαιτεί για την τροφοδοσία του δύο τριφασικά συστήματα ίδιας τάσης και συχνότητας, αλλά με διαφορά φάσης 30 ο ή 150 ο, η οποία εξασφαλίζεται με τη χρήση μετασχηματιστών. Στις πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται τέσσερα είδη μετασχηματιστών: Τριφασικοί με τρία τυλίγματα, όποτε απαιτείται ένας μετασχηματιστής ανά μετατροπέα δώδεκα παλμών Τριφασικοί με δύο τυλίγματα, όποτε απαιτούνται δύο μετασχηματιστές ανά μετατροπέα δώδεκα παλμών Μονοφασικοί με τρία και δύο τυλίγματα, όποτε απαιτούνται τρεις και έξι μετασχηματιστές αντίστοιχα ανά μετατροπέα δώδεκα παλμών. Τα τυλίγματα των μετασχηματιστών στην πλευρά του δικτύου συνδέονται σε αστέρα και ο ουδέτερος γειώνεται. Τα τυλίγματα των μετασχηματιστών από την πλευρά του δικτύου συνδέονται σε αστέρα και ο ουδέτερος γειώνεται. Ενώ, τα τυλίγματα των μετασχηματιστών από την πλευρά του μετατροπέα συνδέονται σε αστέρα με τον ουδέτερο χωρίς γείωση και σε τρίγωνο και σε τρίγωνο, ώστε να εξασφαλιστεί η αναγκαία διαφορά φάσης. Η εκλογή των μετασχηματιστών γίνεται με βάση την ικανοποίηση των παρακάτω κριτηρίων: Η αυτεπαγωγή σκέδασης, η οποία επιβάλλει το χρόνο μετάβασης του ρεύματος μεταξύ των θυρίστορ (commutation time), εκλέγεται κατάλληλα για τον περιορισμό του ρεύματος βραχυκύκλωσης μέσω των διακοπτών. Η μόνωση των τυλιγμάτων οφείλει να αντέχει τη συνεχή τάση του μετατροπέα και τις αυξημένες απώλειες δινορρευμάτων από τις αρμονικές συνιστώσες των ρευμάτων. Η απαίτηση για την ύπαρξη ενδιάμεσων λήψεων, για τη ρύθμιση της τάσης που εφαρμόζεται στους μετατροπείς. 48

50 Σχήμα 3. 3 Συνδεσμολογία μετατροπέα 12 παλμών [19] 3.2 Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα μεταγωγής μέσω πυκνωτών 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. 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 παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3. 4 Μετατροπέας μεταγωγής μέσω πυκνωτών [20] Οι πυκνωτές μεταγωγής παρέχουν άεργο ισχύ στον μετατροπέα ανάλογη του φορτίου του, καλύπτοντας με αυτό τον τρόπο την ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος στον μετατροπέα και αποκλείοντας την ανάγκη χρήσης πυκνωτών αντιστάθμισης και μεγάλων συστοιχιών φίλτρων. Όμως, 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 49

51 (continuously tuned), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η μη χρήση συστοιχιών φίλτρων έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση σε σημαντικό βαθμό του χώρου που απαιτείται για την εγκατάσταση του HVDC υποσταθμού. Σχήμα 3. 5 Μετατροπέας μεταγωγής μέσω πυκνωτών με ac φίλτρα συνεχώς συντονιζόμενα (continuously tuned) [20] Πλεονεκτήματα του συγκεκριμένου μετατροπέα [20]: 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. 3.3 Σύντομη Περιγραφή Μετατροπέα πηγής τάσης εξαναγκασμένης μεταγωγής VSC Αν η επαγωγική αντίδραση είναι αποκλειστικά στην AC πλευρά έχω μεταφορά της ακριβής τάσης, όπως παρατηρούμε στο σχήμα 3.6. Συνεπώς, έχω μετατροπέα διαμόρφωσης τάσης (VSC) με τη δυνατότητα μεταβολής του DC ρεύματος ελέγχοντας το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτικών στοιχείων [19]. Σχήμα 3. 6 Μετατροπέας πηγής τάσης [17] 50

52 Ως διακόπτες χρησιμοποιούνται διπολικά τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs) και θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (Gate Turn-Off Thyristors, GTOs). Απαραίτητη είναι η χρησιμοποίηση διόδων αντιπαράλληλα με το IGBT, καθώς τα IGBTs όταν πολώνονται ορθά μπορούν να άγουν προς μία κατεύθυνση μόνο και μέσω των διόδων προσφέρεται η δυνατότητα στο μετατροπέα να άγει ρεύμα και προς τις δύο κατευθύνσεις. [20] Σημαντικά πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης των IGBTs είναι τα παρακάτω [20]: Η μεγάλη σύνθετη αντίσταση των IGBTs απαιτεί μικρή ποσότητα ενέργειας για τη μετάβαση τους. Τα IGBTs λειτουργούν σε μία μέση συχνότητα περίπου 1kHz και ανοιγοκλείνουν με τέτοιο τρόπο, ώστε επιτυγχάνεται εξάλειψη των αρμονικών υψηλότερων συχνοτήτων. Η λειτουργία του μετατροπέα επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Με την PWM διαμόρφωση επιτρέπεται η ταυτόχρονη 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. [20] Σχήμα 3. 7 Βασικό Διάγραμμα VSC Υποσταθμού [19] Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα, το DC κύκλωμα είναι καθαρά χωρητικό διατηρώντας την τάση σταθερή. Συνεπώς, οι τάσεις του μετατροπέα θεωρούνται ανεξάρτητες από τη λειτουργία του μετατροπέα. Όμως, όπως αναφέρεται παρακάτω, στην πράξη αναπτύσσονται αρμονικές ρεύματος στο DC κύκλωμα. [19] Τα διακοπτικά στοιχεία, για να αντέχουν τις πολύ υψηλές απαιτήσεις της τάσης της μεταφοράς HVDC, συνδέονται σε σειρά. Για παράδειγμα, τα διακοπτικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε συστήματα HVDC Light 150 kv είχε μέχρι και 300 εν σειρά συνδεδεμένα ΙGΒΤ. [19] Σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο μετατροπέων VSC και CSC είναι η διάρκεια της περιόδου αγωγής των διακοπτικών στοιχείων, η οποία στην περίπτωση του VSC είναι 180 ο αντί στην περίπτωση του CSC είναι 120 ο. Η αγωγιμότητα 180 μοιρών είναι απαραίτητη στην 51

53 μετατροπή VSC ώστε να αποφευχθεί η κατάσταση κατά την οποία τα δύο σκέλη της γέφυρας είναι σε κατάσταση off, γεγονός που θα συνέβαινε αν χρησιμοποιούνταν περίοδος 120 ο και θα μπορούσε να προκαλέσει αβεβαιότητα στην τάση εξόδου. [19] Άλλη σημαντική διαφορά είναι η απουσία της επικάλυψης της μεταγωγής, δηλαδή του χρονικού διαστήματος μεταξύ της εναλλαγής κατάστασης δύο διακοπτών, το οποίο καθιστά τη λειτουργία VSC πιο προβλέψιμη και πιο εύκολο να αναλυθεί. [19] Πλεονεκτήματα του συγκεκριμένου μετατροπέα είναι [20]: 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 χάρη στην αυξημένη συχνότητα διακοπτών (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. Μειονεκτήματα του συγκεκριμένου μετατροπέα είναι [20]: Οι πιθανές υψηλές απώλειες ισχύος. Η αυξημένη απαίτηση κεφαλαίου για την κατασκευή τους, σε σύγκριση με τους συμβατικούς μετατροπείς. VSC-Μετατροπείς χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά στις παρακάτω εφαρμογές [23]: Μικρά, απομονωμένα, μακρινά φορτία Παροχή ισχύος σε νησιά Τροφοδοσία σε κέντρα πόλεων Απομακρυσμένες μικρής κλίμακας παραγωγές Υπεράκτιες παραγωγές και διασταυρώσεις βαθέων υδάτων Πολυτερματικά συστήματα Τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) Ο έλεγχος των διακοπτικών στοιχείων μίας διάταξης VSC με σκοπό τη διαμόρφωση ενός σήματος εξόδου γίνεται μέσω των μεθόδων PWM. Οι μέθοδοι PWM που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι η ημιτονοειδής PWM, η PWM με έλεγχο ρεύματος και η space vector PWM. [24] 52

54 3.4 Σύγκριση μεταξύ των μετατροπέων VSC και CSC Οι κύριες διαφορές μεταξύ του μετατροπέα πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής LCC και του μετατροπέα πηγής τάσης εξαναγκασμένης μεταγωγής VSC προκύπτουν από το γεγονός ότι ο τελευταίος δεν απαιτεί μια πηγή τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος για την μεταγωγή και πως η μεταγωγή είναι πρακτικά στιγμιαία, ενώ η διάρκεια της μεταγωγής στο LCC εξαρτάται από το επίπεδο πηγής τάσης και την αντίδραση της μεταγωγής (της οποίας το μεγαλύτερο μέρος είναι η αντίδραση διαρροής του μετασχηματιστή μετατροπέα). Έτσι, ακόμη και όταν η γωνία έναυσης είναι μηδέν, το LCC καταναλώνει άεργο ισχύ, το ύψος της οποίας μπορεί να είναι όσο το 60% της ενεργού ισχύος του HVDC. Επιπλέον, η απαίτηση άεργο ισχύ στο LCC ποικίλλει ανάλογα με την ενεργό ισχύ της μετατροπής, των φίλτρων και την αντιστάθμιση άεργου ισχύος που απαιτείται καθώς το φορτίο μεταβάλλεται. Από την άλλη πλευρά, ο VSC μπορεί να παρέχει οποιαδήποτε άεργο ισχύ ανεξαρτήτως της μεταφοράς ενεργούς ισχύος. [19] Στο LCC, ως μέσο μεταφοράς ενεργούς ισχύος, οι μεταβολές στην άεργο ισχύ προκαλούν διακυμάνσεις στην τάση του AC συστήματος. Οι πτώσεις της AC τάσης προκαλεί πρόσθετη κατανάλωση άεργου ισχύος και περαιτέρω μείωση της τάσης, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια της τάσης. Για την αποφυγή της αστάθειας απαιτείται ένας ελάχιστος λόγος βραχυκύκλωσης (SCR), που ορίζεται ως ο λόγος της ισχύς βραχυκύκλωσης προς την ισχύ του μετατροπέα, ο οποίος συνήθως είναι ίσος με 2. Το VSC δεν έχει καμία ελάχιστη απαίτηση SCR, αλλά η μεταφορά ενεργούς ισχύος είναι περιορισμένη από την σύνθετη αντίσταση του AC συστήματος ανηγμένη στην ΑC πλευρά του μετατροπέα. [19] Δεδομένου ότι κάθε σκέλος της γέφυρας του μετατροπέα αλλάζει κατάσταση μόνο μία φορά ανά κύκλο, το LCC χρειάζεται φίλτρα για τις αρμονικές, η χωρητικότητα του φίλτρου είναι τυπικά 20 έως 30% της διάστασης του μετατροπέα. Με τη χρήση της διαμόρφωσης PWM ή με διαμορφώσεις πολλών επιπέδων στα VSC συστήματα, οι απαιτήσεις για φίλτρα μειώνεται δραστικά ή ακόμη και να εξαλείφονται. [19] Ένα βραχυκύκλωμα στον αντιστροφέα του AC συστήματος θα προκαλέσει αποτυχίες μεταγωγής στο LCC με συνέπεια τη προσωρινή διακοπή της μεταφοράς ισχύος. Αντιθέτως, τα VSC συστήματα δεν υποφέρουν από τις αποτυχίες στη μεταγωγή και μπορούν να συνεχίσουν τη μεταφορά ενεργούς ισχύος σε αυτές τις συνθήκες. Σε αυτήν την περίπτωση, το ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται, περιορίζεται μόνο από τη μείωση της AC τάσης κατά τη διάρκεια του σφάλματος. [19] Ένα πλεονέκτημα του LCC είναι η αντίδραση του σε σφάλματα του DC συστήματος, λόγω του συνδυασμού των αντιδράσεων εξομάλυνσης (που περιορίζει το ρεύμα κορυφής) και του γρήγορου έλεγχου του μετατροπέα (που γρήγορα μειώνει το DC ρεύμα στο μηδέν), θέτοντας δυνατή την επανεκκίνηση εντός 100 έως 300 ms. Αντιθέτως, σε ένα VSC σύστημα η δίοδος των διακοπτικών στοιχείων θα επιτρέψει το ρεύμα σφάλματος να ρέει επ αόριστον, ακόμη και όταν τα IGBTs έχουν μπλοκαριστεί. Συνεπώς, το σφάλμα μπορεί να εξαλειφθεί από την ενεργοποίηση του διακόπτη, γεγονός που συνεπάγει μεγάλες καθυστερήσεις στην αποκατάσταση της κανονικής λειτουργίας του συστήματος. [19] 53

55 Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του LCC είναι η σημαντική μείωση των απωλειών ισχύος, σε σύγκριση με τις VSC διαμορφώσεις, ιδίως εκείνων που χρησιμοποιούν διαμόρφωση PWM. Επιπροσθέτως, ένα πλεονέκτημα του VSC μετατροπέα είναι η δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου της ενεργού και άεργου ισχύος. Το παραπάνω γίνεται εφικτό λόγω της δυνατότητας ελέγχου της έναυσης και της σβέσης των διακοπτικών στοιχείων, που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς πηγής τάσης, σε συνδυασμό με την διαμόρφωση PWM και του μετασχηματισμού park. Αντιθέτως, στους μετατροπείς πηγής ρεύματος η ροή της ενεργούς και της άεργου ισχύος είναι δύο αλληλένδετα μεγέθη, τα οποία ελέγχονται από την γωνία έναυσης των θυρίστορ (ή την γωνία σβέσης) και από την rms τιμή της πολικής τάσης στην είσοδο του μετατροπέα. [24] 54

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4- ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ HVDC Στο κεφάλαιο αυτό θα αναπτυχθούν οι αρμονικές που παρουσιάζονται στο ρεύμα και την τάση λόγω της παρουσίας των μετατροπέων. 4.1 Αρμονικές στους μετατροπείς ρεύματος CSC Ορισμός γωνιών για τους μετατροπείς ρεύματος CSC Παρακάτω, θα δοθούν οι ορισμοί και οι συμβολισμοί των γωνιών, οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν στην παρακάτω ανάλυση των αρμονικών. Γωνία καθυστέρησης ή έναυσης α (delay or firing angle) ορίζεται ως το χρονικό διάστημα από το θετικό μηδενισμό (positive zero crossing) [22] της ac τάσης ως την αρχική στιγμή της θετικής αγωγής του ρεύματος. Η γωνία αυτή ελέγχεται από τις εισόδους ελέγχου (παλμοί έναυσης στην πύλη του θυρίστορ). Από,ο μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής, ενώ από ο μετατροπέας λειτουργεί ως αντιστροφέας. Γωνία προόδου β (advance angle) ορίζεται ως το χρονικό διάστημα από την αρχική στιγμή της θετικής αγωγής του ρεύματος ως τον επόμενο μηδενισμό της ac τάσης. Ορίζεται, ως: Γωνία επικάλυψης ή μετάβασης u (overlap angle) ορίζεται ως το χρονικό διάστημα της μετατροπής μεταξύ δύο διακοπτών. Γωνίας σβέσης γ (extinction angle) ορίζεται ως το χρονικό διάστημα από το τέλος της αγωγής του διακόπτη ως τον επόμενο θετικό μηδενισμό της ac τάσης. Ορίζεται, ως: Προσδιορισμός χαρακτηριστικών αρμονικών Οι μετατροπείς πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής παράγουν χαρακτηριστικές αρμονικές τάσης και ρεύματος στην AC και DC πλευρά αντιστοίχως. Η τάξη των αρμονικών αυτών σχετίζεται με τον αριθμό των παλμών (διακοπτικών στοιχείων) του μετατροπέα. Ο αριθμός αυτός ορίζεται ως ο αριθμός των μη ταυτόχρονων μεταβάσεων ανά κύκλο στη θεμελιώδη συχνότητα. [19] Ένας μετατροπέας με αριθμό παλμών ίσο με p παράγει ιδανικά μόνο αρμονικές τάσης με τάξη ίση με pk στην DC πλευρά και αρμονικές ρεύματος της τάξεως ίση με pk+1 στην AC πλευρά, όπου k είναι ακέραιος. [19] 55

57 Η παραγωγή των αρμονικών βασίζεται στις παρακάτω υποθέσεις [19]: 1. Οι τάσεις τροφοδοσίας μετατοπίζονται ακριβώς κατά το ένα τρίτο ενός κύκλου από τον ένα χρόνο στον άλλο και αποτελούνται μόνο από την θεμελιώδη συχνότητα. 2. Το DC ρεύμα είναι απόλυτα σταθερό (δεν έχει συνιστώσες συχνότητας). Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν η αυτεπαγωγή εξομάλυνσης είναι άπειρη στην DC πλευρά. 3. Οι διακόπτες ξεκινούν να άγουν σε ίσα χρονικά διαστήματα. 4. Οι αντιδράσεις μετάβασης είναι ίδιες και στις τρεις φάσεις (δηλαδή όλες οι γωνίες μετάβασης είναι ίδιες) Χαρακτηριστικές Αρμονικές στην DC πλευρά Για την τριφασική γέφυρα διαμόρφωσης (p=6), η τάξη των αρμονικών είναι ίση με. Το διάστημα επανάληψης είναι π/3, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4. 1 Ρεύματα παλμών τριφασικής γέφυρας (i1 με i6) [19] Η μέση τάση DC (εξόδου για την περίπτωση ανόρθωσης, εισόδου για την περίπτωση της αντιστροφής) ορίζεται σε κάθε χρονικό διάστημα παρακάτω (ως χρονική αναφορά ορίζεται η χρονική στιγμή που δύο από τις τάσεις είναι ίσες) [19]: ( ) ( ) ( ) έ όπου, η rms πολική τάση η γωνία έναυσης η γωνία μετάβασης η συχνότητα του ac δικτύου 56

58 Με ανάλυση Fourier προκύπτει η rms τιμή των αρμονικών συνιστωσών της τάσης: [ ] [ ] [ ] [ ] όπου, η τάξη των αρμονικών η μέγιστη μέση DC τάση (χωρίς φορτίο και με μηδενική γωνία έναυσης) και για τριφασική γέφυρα διαμόρφωσης ορίζεται ως: Η σχέση δείχνει κάποια ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. Αρχικά, για α=0 και u=0, σχετική τιμή της n αρμονικής μειώνεται κατά [19]: δίνοντας 4.04%, 0.99% και 0.44% για την 6 η, 12 η και 18 η αρμονική αντίστοιχα. Γενικά, καθώς αυξάνει η γωνία α, αυξάνουν και οι αρμονικές και για α=π/2 και u=0, η τιμή της n-οστής αρμονικής γίνεται [19]: Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει την μεταβολή της 6 ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης και έναυσης: Σχήμα 4. 2 Μεταβολή της 6 ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης και έναυσης [19] 57

59 Συνοψίζοντας, σε έναν 12-παλμικό μετατροπέα [25]: Οι χαρακτηριστικές αρμονικές είναι της τάξης και οφείλονται λόγω της κυκλικής ενεργοποίησης των παλμών. Η ύπαρξη μη χαρακτηριστικών αρμονικών οφείλεται λόγω προβλημάτων κατά την έναυση, ασυμμετρία και παραμόρφωση της ac τάσης, διαμόρφωση συνεχούς ρεύματος από απομακρυσμένο σταθμό και λόγω ασυμμετριών των στοιχείων του μετατροπέα. Οι αρμονικές ανώτερης τάξης (από την 7 η παρεμβολή. [25] έως την 48 η ) είναι την ηλεκτρομαγνητική Οι αρμονικές κατώτερης τάξης (από την 1 η έως την 6 η ) εισάγουν άλλα προβλήματα παρεμβολών, όπως προβλήματα ασφαλείας για το προσωπικό και τον εξοπλισμό από την προκαλούμενη τάση, αρνητικές συνέπειες κατά τη διαβίβαση πληροφοριών και σιδηροδρομικών κυκλωμάτων αναμεταδότησης καθώς και διέγερση φαινομένων συντονισμού μεταξύ της HVDC γραμμής μεταφοράς και της γραμμής του ηλεκτρόδιου γείωσης. [25] Χαρακτηριστικές Αρμονικές στην ΑC πλευρά Με μηδενική αντίδραση μετάβασης, η ιδανική κυματομορφή του ρεύματος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4. 3 Ιδανική κυματομορφή ρεύματος στην πλευρά του πρωτεύοντος για συνδεσμολογία α) αστέρα- αστέρα και β)τριγώνου- αστέρα [19] Όταν η ονομαστική ισχύς δικαιολογεί την χρήση παραπάνω από μια γέφυρας, η ανάγκη για εξωτερικά φίλτρα μπορεί να μειωθεί με την κατάλληλη μετατόπιση φάσης από τον μετασχηματιστή μετατροπέα. Η μετατόπιση μπορεί να επιτευχθεί από την χρησιμοποίηση διαφορετικών συνδεσμολογιών των μετασχηματιστών. 58

60 Οι πιο κοινές συνδέσεις μεταξύ των μετασχηματιστών είναι η αστέρα και η τριγώνου. Ένας μετασχηματιστής με σύνδεση αστέρα στο πρωτεύον και στο δευτερεύον τύλιγμα, δεν μεταβάλλει την φάση μεταξύ της πολικής τάσης εισόδου και εξόδου. Παρόλα αυτά, η χρησιμοποίηση είτε της συνδεσμολογίας τριγώνου-αστέρα είτε της συνδεσμολογίας αστέρα-τριγώνου στο πρωτεύον και δευτερεύον τύλιγμα εισάγει μια μετατόπιση φάσης 30 ο μεταξύ της πολικής τάσης εισόδου και εξόδου. [19] Η ιδανική κυματομορφή του ρεύματος ορίζεται ως: όπου, DC ρεύμα η συχνότητα του ac δικτύου. Η ανάλυση Fourier για την κυματομορφή του ρεύματος για έναν μετασχηματιστή μετατροπέα συνδεδεμένο αστέρα-αστέρα είναι: [ ] και δείχνει πως οι αρμονικές της τάξεως (6k-1) έχουν θετική ακολουθία (όπως η θεμελιώδης), ενώ εκείνες της τάξεως (6k+1) έχουν αρνητική ακολουθία. Η τιμή της n αρμονικής δίνεται από τον τύπο: έχοντας ως θεμελιώδη: Η ανάλυση Fourier για την κυματομορφή του ρεύματος της συνδεσμολογίας αστέρατριγώνου είναι: [ ] Παρατηρούμε πως είναι ίδια με εκείνη για την συνδεσμολογία αστέρα-αστέρα, με την εξαίρεση πως οι αρμονικές της 5 ης, 7 ης (k=περιττός αριθμός) είναι με αντίθετο πρόσημο. 59

61 4.1.5 Μη χαρακτηριστικές αρμονικές και interharmonics Οι αρμονικές που προκαλούνται από ατέλειες τους συστήματος συναντώνται στην πράξη και δεν μπορούν να προβλεφθούν από τα ιδανικά μοντέλα που περιγράφηκαν παραπάνω. Σε γενικές γραμμές καθένα από τα τρία κύρια μέρη του συστήματος έχουν πάντα κάποιο λάθος σε κάποιο βαθμό. [19] 1. Οι AC τάσεις τους συστήματος δεν είναι ποτέ τέλεια σε ισορροπία και χωρίς καμιά παραμόρφωση και οι αυτεπαγωγές του συστήματος, ειδικά εκείνων των μετατροπέων μετασχηματιστών δεν είναι ακριβώς ίσες μεταξύ των τριών φάσεων. [19] 2. Η DC διασύνδεση μπορεί να διαμορφωθεί από ένα άλλο σταθμό στην περίπτωση ανορθωτή- αντιστροφέα. [19] 3. Τα συστήματα ελέγχου της γωνίας έναυσης συχνά οδηγούν σε σημαντικά σφάλματα κατά την εφαρμογή τους. [19] Αρνητικά επίσης μπορεί να επιδράσει το γεγονός της λειτουργίας των μετασχηματιστών του μετατροπέα κοντά στον μαγνητικό κορεσμό. [26] Σαν αποτέλεσμα, οι στατικοί μετατροπείς γενικά παράγουν αρμονικές τάξεων και μεγέθους, οι οποίες δεν μπορούν να προβλεφθούν από τις σειρές Fourier των ιδανικών κυματομορφών. [19] Η αβέβαιη φύση των μη συνηθισμένων αρμονικών εμποδίζει να εμποδιστούν κατά το στάδιο του σχεδιασμού. Τα φίλτρα υπό κανονικές συνθήκες δεν σχεδιάζονται για να εξαλείψουν τις μη συνηθισμένες αρμονικές και σαν αποτέλεσμα η παρουσία τους συχνά δημιουργεί περισσότερα προβλήματα από τις αναμενόμενες. [19] Στον παρακάτω σχήμα, φαίνονται οι μετρήσεις των αρμονικών κατά τις δοκιμές back-toback στον HVDC σταθμό της Νέας Ζηλανδίας στην Benmore. [19] Σχήμα 4. 4 Μετρήσεις αρμονικών κατά τις δοκιμές back-to-back στον HVDC σταθμό της Νέας Ζηλανδίας Benmore [19] 60

62 Από το σχήμα 4.4, παρατηρούμε πως όλες οι αρμονικές τάσης δεν είναι σε ισορροπία, ειδικότερα η 3 η και η 9 η. Το σχήμα επίσης παρουσιάζει τις αρμονικές όλων των τάξεων άρτιων και περιττών, με τις μη συνηθισμένες να προκαλούν μεγαλύτερη παραμόρφωση από τι συνηθισμένες. Μια ρεαλιστική ποσοτική ανάλυση των μη συνηθισμένων αρμονικών μπορεί να επιτευχθεί μόνο με ένα πλήρες μοντέλο τριών φάσεων της συμπεριφοράς του συστήματος με λεπτομερή αναπαράσταση του ελέγχου του μετατροπέα. Μια ποιοτική αξιολόγηση του κυρίως προβλήματος και της ευαισθησίας του συστήματος σε μικρές αποκλίσεις από τις ιδανικές συνθήκες λήφθηκε παραπάνω. [19] Ατελής AC πηγή Οι αποκλίσεις από την τέλεια ημιτονοειδή πηγή μπορεί να προκληθούν [19]: (i) από την παρουσία της αρνητικής ακολουθίας της θεμελιώδους συχνότητας στην τάση μετάβασης, (ii) από τη παραμόρφωση των αρμονικών της τάσεων με θετική ή αρνητική ακολουθία, (iii) ασυμμετρίες στις αντιδράσεις μετάβασης. Γενικά, μια ατελής AC πηγή παράγει ασύμμετρες αναφορές έναυσης και ασύμμετρη διαμόρφωση DC. Το πρώτο πρόβλημα μπορεί να εξαλειφθεί με τη χρησιμοποίηση ελέγχων ίσων αποστάσεων της γωνιάς έναυσης. [19] Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η περίπτωση μιας εξωπραγματικά υψηλού επιπέδου ασυμμετρία της θεμελιώδους τάσης, η οποία παράγει σημαντικό αρμονικό περιεχόμενο στην DC πλευρά και σημαντική τρίτη αρμονική στην AC πλευρά. [19] Σχήμα 4. 5 Ασυμμετρίες στην τάση για μόνη γέφυρα μετατροπέα (a) τριφασική τάση (b) συνεχής τάση (c) συνεχές ρεύμα (d) τριφασικά ρεύματα [19] 61

63 Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, τα αναμενόμενα επίπεδα της ασυμμετρίας και της παραμόρφωσης είναι χαμηλά και οι επιδράσεις τους μπορούν να προσεγγιστούν με εύλογη ακρίβεια. [19] Διαμόρφωση DC Υποθέτοντας μια ιδανική τριφασική πηγή και ίσες γωνίες έναυσης, η προσθήκη μιας μικρής αρμονικής συνιστώσας ρεύματος χαμηλής k τάξης (δηλαδή μεταξύ 1 ης και 4 ης ) στην DC πλευρά θα παράγει μια συνιστώσα διαφορετικής τάξης, αλλά της ίδιας αλληλουχίας, στην AC πλευρά, το μέγιστο επίπεδο των οποίων, θα είναι περίπου 0.707% της. [19] Το πλάτος είναι πολλαπλάσιο του, όπου είναι το ενεργό ρεύμα στη θεμελιώδη συχνότητα στο AC σύστημα, είναι το rms ρεύμα που παρεμβαίνει στην DC πλευρά τάξης k και είναι το DC ρεύμα. [19] Το αποτέλεσμα και το μέγεθος είναι ανεξάρτητα από την πρωταρχική αιτία της DC διαμόρφωσης καθώς είναι κατά προσέγγιση, ενώ ισχύει μόνο σε χαμηλές συχνότητες, διότι η αντίδραση της μεταγωγής έχει αγνοηθεί. [19] Ατέλειες συστήματος ελέγχου Για αυτήν την περίπτωση δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες. Εάν η τάση που εφαρμόζεται στο PLL παρουσιάζει αρμονικό περιεχόμενο, υποθέτοντας σταθερό DC ρεύμα και AC τάσεις και θέτοντας ένα διαμορφωμένο αρμονικό σήμα τάξης n σε pu, τότε προκαλεί αρμονικές συνιστώσες στη DC τάση τάξης, όπου, σε μια 12-παλική γέφυρα. [19] Το μέγεθος (pu) της DC τάσης είναι [19]: Όπου, η μέση γωνία έναυσης η μέση γωνία μετάβασης Το συνολικό μέγεθος AC που αναφέρεται σε μια φάση ενός παλμού με αρμονική τάξη παρόμοια διέγερση είναι [19]: με [ ] Για. 62

64 4.1.9 Ασυμμετρίες στη γωνία έναυσης Ατέλειες του ac συστήματος ή σφάλματα στις γωνίες έναυσης μπορεί να οδηγήσει σε παλμούς με πλάτος που να αποκλίνει από τη χαρακτηριστική σχεδόν ορθογώνια κυματομορφή ρεύματος. [19] Παρακάτω περιγράφεται το αποτέλεσμα των καθυστερημένων και των νωρίτερων εναύσεων σε έναν 6-παλμικό μετατροπέα. Αν οι θετικοί παλμοί του ρεύματος ξεκινήσουν νωρίς κατά μία γωνία ε και οι αρνητικοί καθυστερήσουν κατά την ίδια γωνία, τα μη αγώγιμα διαστήματα θα αυξηθούν κατά 2ε. Η ζυγή συμμετρία, η οποία εξαλείφει τις αρμονικές ζυγών τάξεων, έχει πλέον χαθεί και οι ζυγές αρμονικές για μικρές γωνίες μετάβασης δίνονται από την έκφραση [19]: Για παράδειγμα, για, η δεύτερη και η τέταρτη αρμονική είναι περίπου 1.74% του ρεύματος στη θεμελιώδη συχνότητα. Εάν οι εναύσεις δύο θυρίστορ που είναι συνδεδεμένοι στην ίδια φάση καθυστερήσουν, τότε οι θετικοί και οι αρνητικοί παλμοί του ρεύματος της φάσης αυτής είναι συντομότεροι από το αναμενόμενο. Επιπλέον, οι παλμοί του ρεύματος της μιας εκ των δύο υπολοίπων φάσεων (και συγκεκριμένα αυτή που προηγείται) αυξάνεται κατά ε, ενώ οι παλμοί της φάσης που έπεται παραμένουν αμετάβλητοι. Αυτό παράγει ρεύματα τριπλών αρμονικών. Με την προϋπόθεση της μηδενικής γωνία μετάβασης, η αναλογία των τριπλών αρμονικών ( στο ρεύμα στη θεμελιώδη συχνότητα εκφράζεται από [19]: Για μικρές τιμές του ε, τα επίπεδα της τρίτης αρμονικής δίνονται κατά προσέγγιση: Για, Αύξηση των χαμηλών τάξεων αρμονικών Εξετάζοντας την περίπτωση ενός στατικού μετατροπέα (παρουσιάζεται ως ένα αρμονικό ρεύμα έγχυσης) τροφοδοτείται από ac σύστημα με εσωτερική αντίσταση στην n αρμονική. [19] Το ac σύστημα στη θεμελιώδη και στις χαμηλής τάξης αρμονικές έχει κατά κύριο λόγο επαγωγική συμπεριφορά, δηλαδή 63

65 Σε περίπτωση απουσίας των φίλτρων, το αρμονικό ρεύμα παράγει στο σημείο σύνδεσης αρμονική τάση πλάτους: Παρουσία φίλτρων και πυκνωτών αντιστάθμισης γίνεται:, η αρμονική τάση στο σημείο σύνδεσης και, δεδομένου ότι η συμπεριφορά των φίλτρων και των πυκνωτών είναι κυρίως χωρητική: Όταν, η αρμονική τάση περιορίζεται μόνο από την αντίσταση του συστήματος, η οποία είναι πολύ μικρή. Έτσι, όταν, η αρμονική παραμόρφωση αυξάνεται και ο παράγοντας μεγέθυνσης είναι Κατά συνέπεια, ένα μη χαρακτηριστικό αρμονικό ρεύμα χαμηλής τάξης, το οποίο δεν έχει καμία πρακτική δυσμενή επίδραση όταν απουσιάζουν φίλτρα και πυκνωτές αντιστάθμισης μπορεί να ενισχυθεί για να δώσει μία τάση μεγαλύτερη. [19] Συχνότητα Cross- Διαμόρφωση σε όλη τη LCC Ο μηχανισμός του μετατροπέα για διαμόρφωση cross σε αρμονικές και σε interharmonics (αρμονικές των οποίων οι συχνότητες δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας) περιγράφεται συνοπτικά στο παρακάτω σχήμα: [19] Σχήμα 4. 6 Τάξη αρμονικών [19] 64

66 Η παρουσία μιας αρμονικής k φορές της θεμελιώδους συχνότητας στην DC πλευρά ενός 12- παλμικού HVDC μετατροπέα θα παράγει στην AC πλευρά μια θετική ακολουθία αρμονικών τάξεως καθώς και μια αρνητική ακολουθία αρμονικών τάξεως. Αυτές οι αρμονικές ακολουθίες ανακλώνται πίσω στην DC πλευρά, ως αρμονικές τάξεως k και διάφορες αρμονικές τάξεων ανωτέρων από τη Μεταξύ αυτών των αρμονικών, οι πιο σημαντικές είναι οι πρώτοι όροι της τάξης k αρμονικής στην DC πλευρά και η θετική ακολουθία k+1 και η αρνητική ακολουθία k-1 αρμονικών στην AC πλευρά. Οι υψηλότερες αρμονικές είναι κατά μία τάξη μεγέθους μικρότερες από τις κατώτερες αρμονικές. Γι αυτό, στις περισσότερες αναλύσεις, ιδιαίτερα σε εκείνες με μικρά επίπεδα παραμόρφωσης, αγνοούνται οι αρμονικές υψηλής τάξης. [19] Με τις αρμονικές υψηλής τάξης χωρίς να υπολογίζονται, η παρουσία μιας δεύτερης αρμονικής παραμόρφωσης στην πλευρά DC θα έχει ως αποτέλεσμα μια θετική ακολουθία τρίτης αρμονικής και μια αρνητικής ακολουθίας θεμελιώδους συχνότητας στην AC πλευρά. [19] Ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης που περιγράφηκε παραπάνω μπορεί να επεκταθεί και σε μη αρμονικές συχνότητες. Για παράδειγμα, αν υπάρχει μια παραμόρφωση κοντά στη θεμελιώδη συχνότητα, για παράδειγμα στα 51Hz στην DC πλευρά, οι παραμορφώσεις την AC πλευρά θα είναι κοντά στη δεύτερη αρμονική στα 101 Hz για τη θετική ακολουθία και κοντά στη DC 1 Hz για την αρνητική ακολουθία. Καθώς η συχνότητα της DC πλευράς παραμόρφωσης προσεγγίζει τη θεμελιώδη συχνότητα, η κατώτερη αντίστοιχη συχνότητα στην AC πλευρά, η οποία είναι αρνητικής ακολουθίας, θα πρέπει να προσεγγίζει τα 0 Hz, δηλαδή πλησιάζει DC. [19] Αν η παραμόρφωση στη DC πλευρά είναι ακριβώς στη θεμελιώδη συχνότητα, η αρνητική ακολουθία στην AC πλευρά είναι πραγματικά DC, αλλά με διαφορετικά επίπεδα στις τρεις φάσεις, οι οποίες είναι θεωρούνται ως «ασύμμετρη DC», που παράγεται από το μετατροπέα. Ωστόσο, το άθροισμα των DC παραμορφώσεων στις τρεις φάσεις θα είναι μηδέν και οι παραμορφώσεις μπορούν να γραφούν μαθηματικά σε αρνητική ακολουθία ως εξής [19]: Αυτή η μορφή παραμόρφωσης, η οποία αναφέρεται ως «αρνητικής ακολουθίας DC», είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην ανάλυση της αστάθειας του μετατροπέα μετασχηματιστή, καθώς η παραμόρφωση στην DC πλευρά του μετατροπέα, που σχετίζεται με αυτήν την αστάθεια, είναι κοντά στη θεμελιώδη συχνότητα. Γι αυτό, όσο αναφορά αυτήν την αστάθεια, οι σημαντικές αρμονικές παραμορφώσεις στην AC πλευρά είναι η θετική ακολουθία της δεύτερης αρμονικής και η αρνητική ακολουθία DC. Το DC θα τείνει σε κορεσμό τον πυρήνα του μετασχηματιστή, ο οποίος θα οδηγήσει σε αστάθεια. [19] 65

67 4.2 Αρμονικές στους μετατροπείς τάσης VSC Η μετατροπή μέσω VSC παράγει κάποιες αρμονικές ρεύματος στο DC κύκλωμα. Αυτά τα ρεύματα, λόγω της παρουσίας της σύνθετης αντίστασης του DC κυκλώματος, δημιουργούν αρμονικές τάσης και συνεπώς κυμάτωση της DC τάσης. Επίσης, μπορεί να επηρεαστεί η κυμάτωση των πυκνωτών άλλων σταθμών, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο DC σύστημα. Η κυμάτωση της DC τάσης επηρεάζεται κυρίως από τους ακόλουθους παράγοντες [19]: Από την στρατηγική που ακολουθείται για το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτών. Από τη χωρητικότητα του DC πυκνωτή. Από τις διαταραχές και τις παραμορφώσεις του AC συστήματος. Το μέγεθος του DC πυκνωτή μειώνεται με την αύξηση της διακοπτικής συχνότητας των διακοπτών, καθώς κάθε φορά που οι διακόπτες αλλάζουν κατάσταση το DC ρεύμα στο πυκνωτή αλλάζει διεύθυνση λειτουργώντας αποτελεσματικά στην μείωση του κυματισμού [19]. Η αυτεπαγωγή σύζευξης (coupling reactance), η οποία τοποθετείται μεταξύ του μετατροπέα και του AC συστήματος, συντελεί στην εξάλειψη αρμονικών σταθεροποιώντας το AC ρεύμα. Στην εν λόγω αυτεπαγωγή περιλαμβάνονται η αυτεπαγωγή των μετασχηματιστών και οποιαδήποτε άλλη ανά φάση αυτεπαγωγή που έχει προστεθεί [19]. Οι αρμονικές που παράγει ο VSC εξαρτώνται από την τοπολογία του. Οι VSC τριών επιπέδων παράγουν λιγότερες αρμονικές από τους VSC δύο επιπέδων, την PWΜ τεχνική που χρησιμοποιείται τον έλεγχο των διακοπτών και τη διακοπτική συχνότητα. Η τάξη των αρμονικών αυξάνεται με την ανύψωση της διακοπτικής συχνότητας, παράλληλα όμως αυξάνονται οι απώλειες ισχύος του μετατροπέα [3]. Η κυματομορφής της τάσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, είναι τετραγωνικά κύματα ύψους, όπου είναι τάση στην DC πλευρά και πλάτους 180 ο. [19] 66

68 Σχήμα 4. 7 Κυματομορφές τάσης VSC συστήματος [19] Αναλύοντας κατά Fourier τις κυματομορφές προκύπτουν οι παρακάτω εξισώσεις για τις τρεις φάσεις [19]: [ ] [ ( ) ( ) ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ( ) ( ) ] 67

69 Από τις παραπάνω εξισώσεις προκύπτουν τα παρακάτω συμπεράσματα [19]: Η θεμελιώδη συχνότητα περιλαμβάνει ένα συμμετρικό σετ θετικών συνιστωσών. Οι τριπλές αρμονικές είναι όλες μηδενικής ακολουθίας. Η 5 η αρμονική είναι θετικής ακολουθίας. Η 7 η αρμονική είναι αρνητικής ακολουθίας. Αφαιρώντας την τάση του ουδετέρου από την τάση (όπως αναφέρεται στο σχήμα 4.) προκύπτει η τάση μεταξύ φάσης και ουδετέρου, η οποία είναι ίση με [19]: [ ] Παρατηρούμε πως η τάση έχει τρία επίπεδα ύψους ίσα με 0, και, ενώ είναι απαλλαγμένη από τριπλές αρμονικές. [19] Η τάση και είναι συμφασικές. Οι τάσεις και είναι ίδιες αλλά μετατοπισμένες σε φάση 120 ο και 240 ο αντίστοιχα σε σχέση με την. Η πολική τάση έχει δύο επίπεδα ύψους 0 και με θεμελιώδη συχνότητα μετατοπισμένη 30 ο σε σχέση με την τάση και με μέγεθος φορές το μέγεθος της τάσης. Η πολική τάση είναι ίση με [19]: [ ] όπου προκύπτει πως έχουν εξαλειφθεί οι τριπλές αρμονικές. Η rms τιμή της είναι ίση με, ενώ η τάση του μετατροπέα στη θεμελιώδη συχνότητα είναι. [19] Έτσι, σε ένα άκαμπτο μετατροπέα VSC, η τάση εξόδου ΑC είναι συνάρτηση μόνο της DC τάσης και για αυτό για να μεταβληθεί η AC τάση απαιτεί μια αντίστοιχη μεταβολή της DC τάσης. Αυτό επιτυγχάνεται με την φόρτιση ή την εκφόρτιση του DC πυκνωτή είτε από ξεχωριστή πηγή είτε από το AC σύστημα. Η AC τάση είναι δυνατό να αλλάζει χωρίς την αλλαγή της DC τάσης με χρήση της μεθόδου διαμόρφωσης εύρους παλμών PWM. Οι αρμονικές τάσεις σχετίζονται με τη τάση στη θεμελιώδη συχνότητα με την σχέση: Απλοποιώντας σημαντικά την ανάλυση των αρμονικών στο μετατροπέα VSC. 68

70 Σχήμα 4. 8 Κυματομορφές DC ρεύματος [19] Από το παραπάνω σχήμα παρατηρούμε πως η κυματομορφή του ρεύματος περιέχει μια συνεχής συνιστώσα και μια σειρά αρμονικών συνιστωσών τάξεως. Η συνεχής συνιστώσα είναι ίση με [19]: Όπου, = η rms τιμή της μία φάσης του AC ρεύματος = η γωνία έναυσης, όπου στην περίπτωση της εξαναγκασμένης μεταγωγής είναι επίσης η γωνία του συντελεστή ισχύος Το ρεύμα μεταβάλλεται από μέχρι και αντιστρόφως καθώς η γωνία έναυσης αλλάζει από πλήρους ανόρθωσης σε πλήρους αντιστροφής. [19] 69

71 Η αναλογία μεταξύ της νιοστής αρμονικής και της τιμής κορυφής του στιγμιαίου DC ρεύματος λαμβάνει την κατώτερη τιμή της ίση με, όταν ο συντελεστής ισχύος είναι ίσος με μονάδα ενώ λαμβάνει την ανώτερη τιμή της ίση με είναι ίσος με μηδέν. [19], όταν ο συντελεστής ισχύος Συμπερασματικά προκύπτει πως όσο υψηλότερη είναι η τιμή της αρμονικής με τάξη ίση με, τόσο χαμηλότερο είναι το αρμονικό εύρος, γεγονός που υποδεικνύει την σημασία της εξάλειψης των αρμονικών χαμηλής τάξης. Ωστόσο, υπό μη συμμετρικές συνθήκες, η 2 η και άλλες αρμονικές χαμηλών τάξεων επανεμφανίζονται. [19] Διείσδυση Αρμονικών Εφόσον ο μετατροπέας VSC ενεργεί ως μια πηγή αρμονικής τάσης, κάποια αρμονική τάση εμφανίζεται στο σημείο σύζευξης με άλλους καταναλωτές. Η μεταφορά της αρμονικής τάσης σε κάθε συχνότητα είναι ανάλογη της σύνθετης αντίστασης του συστήματος σε αυτήν την συχνότητα. Η σύνθετη αντίσταση περιλαμβάνει την σύνθετη αντίσταση του μετασχηματιστή, την σύνθετη αντίδραση ανά φάση και την σύνθετη αντίδραση των φίλτρων. Η σύνθετη αντίδραση του συστήματος σε ορισμένες συχνότητες μπορεί να είναι χωρητική (λόγω της φόρτισης των χωρητικοτήτων των γραμμών μεταφοράς κα των καλωδίων καθώς και της παρουσίας των πυκνωτών), δημιουργώντας συντονισμούς σειράς. Οι αρμονικές χαμηλών τάξεων καταστέλλονται από τη διαμόρφωση PWM όπως θα δούμε παρακάτω ή από τοπολογίες πολλών επιπέδων. Τα φίλτρα που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι συντονισμένα σε υψηλότερες συχνότητες και συνεπώς φθηνότερα και πιο συμπαγή. Επιπλέον, η απουσία φίλτρων αρμονικών χαμηλής τάξης εξαλείφει την ανάγκη για επιπλέον διακόπτη, ο οποίος απαιτείται για βηματική εισαγωγή των φίλτρων που καθορίζεται από τις απατήσεις για αντιστάθμιση της άεργου ισχύος. [19] Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή Η κυματομορφή εξόδου του μετατροπέα VSC περιέχει ενέργεια στο εύρος RF και για αυτό το λόγο είναι μια πηγή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI). Παρόλο που τα εκπεμπόμενα στοιχεία φυσιολογικέ μετριάζονται από το μεταλλικό περίβλημα του VSC, μέρος της ΕΜΙ ενέργειας μεταδίδεται μέσω αγωγιμότητας από τις γραμμές μεταφοράς ενώ το επίπεδο θορύβου μπορεί να είναι υψηλότερο σε τάξεις μεγέθους από το εκπεμπόμενο θόρυβο. Αυτό το φαινόμενο απεικονίζεται στο σχήμα 4.8 και περιέχει ένα διαφορετικό δυναμικό (δημιουργώντας ένα ρεύμα που ρέει μεταξύ των γραμμών) και ένα κοινό δυναμικό (δημιουργώντας ένα ρεύμα που ρέει από τις γραμμές προς τη γη). Αυτά τα δύο δυναμικά πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό του φίλτρου των υψηλών συχνοτήτων. Το πρόβλημα μπορεί να μειωθεί μέσω κατάλληλων σχεδιασμένων snubbers (συσκευές σχεδιασμένες να καταστέλλουν το εν λόγω φαινόμενο) εις βάρος κάποιων επιπλέον απωλειών. 70

72 Σχήμα 4. 9 Παρεμβολή μέσω αγωγιμότητας σε έναν μετατροπέα VSC [19] Συμβολή της διαμόρφωσης PWM στις αρμονικές Σε έναν τριφασικό μετατροπέα με διαμόρφωση PWM για την παραγωγή τριών συμμετρικών τάσεων, το φέρον τριγωνικό σήμα συγκρίνεται με τρία ημιτονοειδή σήματα με διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους. Η κυματομορφή της πολικής τάσης εξόδου του μετατροπέα περιέχει αρμονικές. Οι αρμονικές αυτές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες με κέντρο τη συχνότητα μετάβασης. Με κατάλληλη χρήση του συντελεστή διαμόρφωσης μπορεί να επιτευχθεί μια σημαντική μείωση στο αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου. Συγκεκριμένα, αν ο συντελεστής είναι περιττός ακέραιος τότε λόγω της συμμετρίας που δημιουργείται έχουμε απαλοιφή των άρτιων αρμονικών. Επιπλέον, αν ο συντελεστής είναι και πολλαπλάσιος του τρία τότε στις πολικές τάσεις έχουμε εξάλειψη των αρμονικών στις συχνότητες. [22] Αν ο συντελεστής δεν είναι ακέραιος, στις πολικές αλλά και στις φασικές τάσεις εξόδου του μετατροπέα εμφανίζονται υποαρμονικές της θεμελιώδους συχνότητας. Οι υποαρμονικές προκαλούν μεγάλα ρεύματα, τα οποία επιβαρύνουν την εγκατάσταση και κατά κύριο λόγο τον μετασχηματιστή. Στην περίπτωση που έχουμε, οι υποαρμονικές έχουν μικρή τιμή και συνεπώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μη ακέραιους συντελεστές διαμόρφωσης συχνότητας. [22] 71

73 Σχήμα Κυματομορφές με διαμόρφωση PWM και φάσμα αρμονικών [22] 72

74 4.3 Συμπέρασμα Συγκεντρωτικά, το αρμονικό περιεχόμενο μιας τυπικής 12 παλμικής γέφυρας ξεπερνά τα επιτρεπτά όρια, όπως αυτά ορίστηκαν στην παράγραφο 1.5 της παρούσας διπλωματικής. Σύμφωνα με την παράγραφο 1.5 (της παρούσας διπλωματικής), για τους δωδεκαπαλμικούς ( ) μετατροπείς, τα όρια για τις χαρακτηριστικές αρμονικές αυξάνονται κατά ένα συντελεστή ίσο με υπό την προϋπόθεση ότι τα πλάτη των μη χαρακτηριστικών αρμονικών είναι λιγότερο από το 25% των ορίων που καθορίζονται στο σχήμα 1.6. Τα όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος για τις περιττές τάξεις των αρμονικών για συστήματα άνω των 161kV με φορτία 12 παλμικούς μετατροπείς δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Υπενθυμίζεται, πως οι χαρακτηριστικές αρμονικές είναι αυτές με τάξη ίση. Τα όρια του σχήματος 1.6 αυξάνονται κατά στις χαρακτηριστικές αρμονικές, ενώ στις μη χαρακτηριστικές μειώνονται κατά 25%. Παρακάτω παρατίθεται ενδεικτικά ένα παράδειγμα, ενώ στο πίνακα παρουσιάζονται οι τελικές τιμές. Η 11 η αρμονική είναι χαρακτηριστική τάξη αρμονικής με επιτρεπτό όριο από το σχήμα 1.6, 1.0% για I SC /I L <50, συνεπώς στην περίπτωση της δωδεκαπαλμικής γέφυρας θα πρέπει να αυξηθεί κατά. Στον πίνακα 1 οι χαρακτηριστικές αρμονικές έχουν ροζ φόντο. Συνεπώς, στην περίπτωση αυτή το όριο γίνεται: Η 15 η αρμονική είναι μη χαρακτηριστική τάξη αρμονικής με επιτρεπτό όριο από το σχήμα 1.0, 1.0% για I SC /I L <50, συνεπώς στην περίπτωση της δωδεκαπαλμικής γέφυρας θα πρέπει να μειωθεί κατά 25%. Συνεπώς, στην περίπτωση αυτή το όριο γίνεται: I SC/I L < Πίνακας 1«Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης του ρεύματος ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» 73

75 Οι δείκτες THD δεν υπόκεινται σε κάποια μεταβολή σε σχέση με τις τιμές του σχήματος 1.6 και συνεπώς είναι: I SC/I L THD < Πίνακας 2 «Επιτρεπτά όρια δείκτη THD του ρεύματος ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» Τα επιτρεπτά όρια της αρμονική παραμόρφωσης της τάσης και καθώς ο δείκτης THD της τάσης δεν υπόκεινται σε κάποια μεταβολή σε σχέση με τις τιμές του σχήματος 1.7 και συνεπώς είναι: Τάση στο Μεμονωμένη αρμονική THD(%) PCC παραμόρφωση (%) >161kV Πίνακας 3 «Επιτρεπτά όρια της παραμόρφωσης της τάσης ΙΕΕΕ Std για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς» 74

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5- ΜΕΙΩΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ HVDC 5.1 Αποτροπή Δημιουργίας Αρμονικών Μετατόπιση φάσης μέσω του μετασχηματιστή Όταν η ονομαστική ισχύς δικαιολογεί τη χρήση περισσότερων από μία γεφυρών, η ανάγκη για χρησιμοποίηση φίλτρων μπορεί να μειωθεί με την κατάλληλη μετατόπιση φάσης μέσω των μετασχηματιστών μετατροπέα, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση διαφορετικών συνδέσεων στο μετασχηματιστή. [19] Οι πιο συχνές συνδέσεις του μετασχηματιστή είναι η σε αστέρα και σε τρίγωνο. Ένας μετασχηματιστής, ο οποίος είναι συνδεδεμένος σε αστέρα στο πρωτεύον και στο δευτερεύον τυλίγματος, δεν μεταβάλλει τη σχέση φάσης της εισόδου και εξόδου της πολικής τάσης. Ωστόσο, η χρησιμοποίηση συνδεσμολογίας είτε τριγώνου-αστέρα είτε αστέρα-τριγώνου εισάγει μια μετατόπιση φάσης 30 ο μεταξύ της εισόδου και εξόδου της πολικής τάσης. Οι κυματομορφές που προκύπτουν φαίνονται στο σχήμα 4.3 του προηγούμενου κεφαλαίου. [19] Εναλλακτικές συνδεσμολογίες του μετασχηματιστή μετατροπέα και του αυτομετασχηματιστή παρέχουν διαφορετικές μετατοπίσεις φάσης. Συνδεσμολογίες ζιγκζαγκ, πολυγώνου, differential delta, centre-tapped delta, fork και differential fork μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέχει διαμορφώσεις σε μετατροπείς πολλών παλμών. Αν και αυτές οι συνδέσεις μπορούν να εφαρμοστούν σε εφαρμογές χαμηλής τάσης, τίθεται η εφαρμογή τους ως αντιοικονομική σε εφαρμογές υψηλής τάσης μετατροπής ισχύος. [19] Αύξηση παλμών του μετατροπέα Η διαμόρφωση του 12-παλμικού μετατροπέα ή αλλιώς της διαμόρφωσης Διπλής Γέφυρας παρουσιάστηκε στο υποκεφάλαιο και παρουσιάστηκε στο σχήμα 3.3. Η κυματομορφή του ρεύματος και το φάσμα των αρμονικών της διαμόρφωσης με διπλή γέφυρα 12 παλμών παρουσιάζεται στο σχήμα 5.1, όπου η γωνία επικάλυψης έχει αγνοηθεί, δεχόμενοι δηλαδή πως η ανά φάση επαγωγή έχει αγνοηθεί. Η κυματομορφή αποτελείται ορθογώνιους παλμούς. [19] Σχήμα 5. 1 Ιδανική κυματομορφή ρεύματος 12-παλμικού μετατροπέα [19] 75

77 Κάθε μετατροπέας 6 παλμών λειτουργεί με την ίδια γωνία έναυσης α. Η κυματομορφή του ολικού ρεύματος ανά φάση είναι το άθροισμα των σχέσεων και , το οποίο προκύπτει: [ ] Επιτυγχάνεται, συνεπώς εξάλειψη της 5 ης και 7 ης αρμονικής. Στο σχήμα 5.2 δίνεται το φάσμα των αρμονικών συνιστωσών του. [19] Σχήμα 5. 2 Φάσμα αρμονικών συνιστωσών του i ολικό [19] Οι αρμονικές μειώνονται με την αύξηση της γωνίας μετάβασης (u) και ο βαθμός μείωσης είναι μεγαλύτερος για τις υψηλότερες αρμονικές. Στο παρακάτω σχήμα παρατηρούμε την μεταβολή της 5 ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης για διαφορετικές τιμές τις γωνίες έναυσης (α). Σχήμα 5. 3 Μεταβολή της 5ης αρμονικής σε σχέση με την γωνία μετάβασης για διαφορετικές τιμές τις γωνίες έναυσης [19] 76

78 Από τη σχέση φαίνεται ότι το συνδυασμένο ρεύμα γραμμής έχει αρμονικές τάξης. Τα πλάτη των αρμονικών ρευμάτων για έναν μετατροπέα 12 παλμών είναι αντιστρόφως ανάλογα της τάξης τους και οι αρμονικές χαμηλότερης τάξης είναι η 11 η και η 13 η. [22] Στη DC πλευρά, εφόσον οι δύο μετατροπείς των 6 παλμών έχουν συνδεθεί σε σειρά, η συνολική DC τάση έχει 12 παλμούς κυμάτωσης ανά κύκλο της θεμελιώδους συχνότητας. Αυτό οδηγεί σε αρμονικές τάσης τάξης, όπου η 12 η αρμονική είναι η αρμονική κατώτερης τάξης. Τα πλάτη των αρμονικών τάσεων στη DC πλευρά μεταβάλλονται πολύ με την γωνία καθυστέρησης α. [22] Εάν συμπεριλάβουμε στους υπολογισμούς την επίδρασης της επαγωγικής αντίδρασης του κυκλώματος, καθώς στην πράξη η είναι σημαντική εξαιτίας των επαγωγών διαρροής των μετασχηματιστών, δεν θα μεταβληθεί η τάξη των αρμονικών που παράγονται είτε στην ac πλευρά είτε στη dc πλευρά, με την προϋπόθεση ότι οι δύο μετατροπείς 6 παλμών λειτουργούν υπό ιδανικές συνθήκες. Ωστόσο, τα πλάτη των αρμονικών εξαρτώνται σημαντικά από την, τη γωνία καθυστέρησης α και το DC ρεύμα. [22] Η τάση στην DC πλευρά ορίζεται ως [22]: όπου, η ενεργός τιμή της τάσης γραμμής που εφαρμόζεται σε κάθε έναν μετατροπέα 6 παλμών η ανά φάση επαγωγή διαρροής κάθε μετασχηματιστή η συχνότητα του ac δικτύου. Κατά την κανονική λειτουργία, η γωνία έναυσης α είναι μικρή (μέχρι 10 ο ) και η γωνία μετάβασης είναι μεγάλη (μέχρι 20 ο ). Κατά την διάρκεια διαταραχών, όπου η γωνία έναυσης είναι περίπου 90 ο και η γωνία μετάβασης είναι πολύ μικρή, οι αρμονικές φτάνουν στο μέγιστο. [19] Στην DC πλευρά οι τάσεις είναι επίσης 30 ο εκτός φάσης, συνεπώς θα είναι εκτός φάσης και οι αντίστοιχες αρμονικές. Εφόσον 30 ο από την κεντρική συχνότητα αντιστοιχεί σε ένα μισό κύκλο της 6 ης αρμονικής, αυτή η αρμονική θα είναι σε αντίθεση φάσης στις 2 γέφυρες. Ομοίως για την 12 η αρμονική, 30 ο αντιστοιχούν σε έναν κύκλο, δίνοντας αρμονικές σε φάση. Για την 18 η αρμονική, 30 ο αντιστοιχούν σε ενάμιση κύκλο, δίνοντας αρμονικές σε αντίθεση φάσης κ.ο.κ. [19] Η προσθήκη επιπλέον μετασχηματιστών κατάλληλων για μετατόπιση φάσης συνδεδεμένων παράλληλα στη AC πλευρά παρέχει τη βάση για διαμορφώσεις αυξημένων παλμών. Για παράδειγμα, η λειτουργία 24-παλμικού μετατροπέα επιτυγχάνεται με τη βοήθεια τεσσάρων μετασχηματιστών με μετατόπιση φάσης 15 ο και η λειτουργία 48-παλμικού μετατροπέα απαιτεί οκτώ μετασχηματιστές με μετατόπιση φάσης 7,5 ο. Αν και θεωρητικά 77

79 δυνατό, παλμοί άνω των 48 σπάνια υφίστανται λόγω της αστάθειας και των παραμορφώσεων της τάσης τροφοδοσίας, τα οποία μπορεί να έχουν τόσο μεγάλη επιρροή στην τάση όσο και η θεωρητικά μετατόπιση της φάσης. [19] Όπως στην περίπτωση της σύνδεσης 12-παλμικού μετατροπέα, οι εναλλακτικές μετατοπίσεις φάσης εμπλέκονται σε διαμορφώσεις περισσότερων παλμών, οι οποίες απαιτούν τη χρήση κατάλληλων λόγων μετασχηματιστή για την επίτευξη κοινής θεμελιώδους συχνότητας τάσης. [19] Τα θεωρητικά αρμονικά ρεύματα σχετίζονται με τον αριθμό των παλμών (p) μέσω της γενικής σχέσης και τα μεγέθη του μειώνονται αντιστρόφως ανάλογα με την τάξη των αρμονικών. [19] Αν και η ιδέα για πολλές γέφυρα έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για εφαρμογές υψηλής ισχύος-χαμηλής τάσης, δεν βρέθηκε να είναι οικονομικά αποδοτική για DC μεταφορά και θέτοντας την 12-παλμική γέφυρα ως πρότυπο διαμόρφωσης. [19] Επανέγχυση DC κυμάτωσης Μονή γέφυρα Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, οι στατικοί μετατροπείς παράγουν μια κυμάτωση στην τάση στην DC έξοδο. Με 6-παλμική ανόρθωση, η κυμάτωση έχει περίοδο, όπου. [19] Σχήμα 5. 4 Μεταβολή του θετικού πόλου (κοινής καθόδου) και αρνητικού πόλου (κοινής ανόδου) σε σχέση με τον ουδέτερο του μετασχηματιστή [19] Ωστόσο, σε σχέση με το κοινό σημείο των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή που είναι συνδεδεμένα σε αστέρα, κάθε DC πόλος έχει μη ημιτονοειδή τάση κυμάτωσης με περίοδο. Αυτή η τάση έχει την ίδια φάση σε κάθε DC πόλο και αναφέρεται ως κοινή DC τάση κυμάτωσης. [19] 78

80 Η αρχής της επανέγχυσης της DC κυμάτωσης για τους τριφασικούς μετατροπείς πηγής ρεύματος φυσικής μεταγωγής με το κύκλωμα διαμόρφωσης φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, όπου: = οι μετασχηματιστές ανατροφοδότησης, = ο λόγος σπειρών = ο πυκνωτής αποκλεισμού = ο ανορθωτής ανατροφοδότησης και οι διακεκομμένες γραμμές δείχνουν τη διαδρομή του ρεύματος επανέγχυσης όταν τα διακοπτικά στοιχεία και άγουν. [19] Σχήμα 5. 5 Γέφυρα ανορθωτή με επανέγχυση κυματισμού [19] Ο μετασχηματιστή του μετατροπέα είναι συνδεδεμένος σε αστέρα στην πλευρά του μετατροπέα και πρέπει να έχουν είτε ένα πρωτεύον τύλιγμα συνδεδεμένο σε τρίγωνο είτε τριτοβάθμιο τύλιγμα συνδεδεμένο σε τρίγωνο. Επίσης, απαιτεί ένα βοηθητικό μονοφασικό μετασχηματιστή με δύο πρωτεύοντα τυλίγματα συνδεδεμένα με τον κοινό κόμβο της DC τάσης μέσω των πυκνωτών αποκλεισμού. Αυτός ο μετασχηματιστής παρέχει την τάση μετάβασης για μονοφασικό ανορθωτή πλήρους κύματος συνδεδεμένο με τα δευτερεύοντα τυλίγματα. Η έξοδος της ανατροφοδότησης του μετατροπέα είναι συνδεδεμένη σε σειρά με την DC έξοδο του μετατροπέα γέφυρας έξι παλμών. Η συχνότητα των επανεγχυόμενων αρμονικών καθορίζεται από τη συχνότητα τροφοδοσίας, με αποτέλεσμα η αρμονική πηγή να είναι πάντα συγχρονισμένη με τη συχνότητα του δικτύου. [19] Η απαιτούμενη προσαρμογή της φάσης του επανεγχυόμενου ρεύματος επιτυγχάνεται με τον έλεγχο των θυρίστορ μέσω του μετατροπέα ανατροφοδότησης, ενώ ο έλεγχος της γωνίας έναυσης του μετατροπέα ανατροφοδότησης αναλαμβάνεται από εκείνον και του κύριου μετατροπέα. [19] Όταν τα θυρίστορ του μετατροπέα ανατροφοδότησης «πυροδοτούνται» με γωνία έναυσης 30 ο αργότερα μετά την «πυροδότηση» των κύριων θυρίστορ του μετατροπέα λαμβάνουμε τις παρακάτω κυματομορφές, [19] όπου: 79

81 Α= το ρεύμα επανέγχυσης Β= το ρεύμα του ανορθωτή πριν την τροποποίηση C= το τροποποιημένο ρεύμα μετατοπισμένο κατά φάση D= το ρεύμα της δεύτερης φάσης μετατοπισμένο κατά 120 ο Ε= το τελικό φασικό ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος συνδεδεμένο σε τρίγωνο Σχήμα 5. 6 Κυματομορφές ρεύματος για το μετατροπέα του σχήματος 4.5 [19] Η ανάλυση Fourier της Ε κυματομορφής δείχνει ότι, για μια συγκεκριμένη αναλογία του εγχυόμενου ρεύματος σε σχέση με το ρεύμα του ανορθωτή, όλες οι αρμονικές των τάξεων είναι μηδέν, ενώ οι τάξεις των αρμονικών που παραμένουν, δηλαδή για διατηρούν την ίδια σχέση με τη θεμελιώδη συχνότητα όπως πριν. [19] Το αποτέλεσμα είναι ότι η αρχική διαμόρφωση του 6-παλμικού μετατροπέα έχει μετατραπεί σε ένα σύστημα 12-παλμικού μετατροπέα από την άποψη των αρμονικών του AC και DC συστήματος. [19] Διπλή γέφυρα Η αρχή της επανέγχυσης είναι ακόμη πιο αποτελεσματική όταν ως βάση χρησιμοποιείται 12-παλμικός (αντί 6-παλμικός) μετατροπέας. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται το κεντρικό σημείο μεταξύ των δύο γεφυρών αντί του ουδετέρου του μετασχηματιστή, ως το σημείο επανέγχυσης και ο DC κυματισμός (ο όποιος είναι τώρα μετάβασης για τη γέφυρα επανέγχυσης. [19] ) παρέχει την τάση 80

82 Για τη διαμόρφωση σειράς, το σχήμα 5.7 απεικονίζει το τροποποιημένο κύκλωμα που απαιτείται για την υλοποίηση της επανέγχυσης, τα πρόσθετα μέρη είναι δύο πυκνωτές, που απαιτούνται για να μπλοκάρουν την DC συνιστώσα των τάσεων και, δύο μετασχηματιστές, οι οποίοι λειτουργούν στη συχνότητα κυματισμού (6 φορές της θεμελιώδους συχνότητας), και μία μονοφασική γέφυρα μετατροπέα. [19] Σχήμα 5. 7 Διαμόρφωση γέφυρας σε σειρά 24-παλμών [19] Η τάση μετάβασης της επανέγχυσης του κυματισμού των θυρίστορ είναι στον κοινό κόμβο της τάσης κυματισμού του 12-παλμικού μετατροπέα. Στο σχήμα 5.8 φαίνονται οι κυματομορφές τάσης. Στο γράφημα (a) διακρίνονται οι επιμέρους τάσεις των γεφυρών μετατροπέα και. Στο γράφημα (b) διακρίνεται η έξοδος του κυκλώματος επανέγχυσης, η οποία είναι μια τάση δώδεκα παλμών. Το επίπεδο της ρυθμίζεται από τον μετασχηματιστή (ή από αυτομετασχηματιστή) μεταβάλλοντας το λόγος, ενώ η φάσης της μετατοπίζεται από τον έλεγχο της γωνίας έναυσης. Τέλος, η τάση προστίθεται στη τάση του μετατροπέα, που απεικονίζεται στο γράφημα (c), ώστε να διπλασιάσει τον αριθμό των παλμών έχοντας ως τάση εξόδου την κυματομορφή της τάσης, που απεικονίζεται στο γράφημα (d). [19] 81

83 Σχήμα 5. 8 Κυματομορφές τάσης της DC πλευράς μιας 24-παλμικής διαμόρφωσης επανέγχυσης [19] Μια κατάλληλη επιλογή της καθυστέρησης της γωνίας έναυσης των θυρίστορ Τ, Τ (όπως φαίνονται στο σχήμα 5.7) και ένας κατάλληλος λόγος σπειρών του μετασχηματιστή ανατροφοδότησης παράγουν μία τάση, η οποία όταν προστίθεται στην διπλασιάζει τον αριθμό των παλμών της τάσης εξόδου γωνίας έναυσης. [19], ανεξάρτητα από την τιμή της 82

84 Το παρακάτω σχήμα δείχνει τις AC κυματομορφές, οι οποίες προκύπτουν από το κύκλωμα του σχήματος 5.7. Σχήμα 5. 9 Κυματομορφές ρεύματος μιας 24-παλμικής διαμόρφωσης επανέγχυσης [19] 83

85 Στο παραπάνω σχήμα, οι γραφικές παραστάσεις (c), (f) και (h) είναι οι συμβατικές κυματομορφές ρεύματος απουσία του κυκλώματος επανέγχυσης. Το γράφημα (a) δείχνει την διαδοχή της μετάβασης των θυρίστορ των κύριων γεφυρών. Χρησιμοποιώντας την 12- παλμικά τάση κυμάτωσης ως τάση μετάβασης για τη γέφυρα επανέγχυσης, παράγεται ένα 6-παλμικό ρεύμα επανέγχυσης στη δευτερεύουσα πλευρά της επανέγχυσης, όπως φαίνεται στο γράφημα (b). [19] Στη γέφυρα συνδεδεμένης σε τρίγωνο, το ρεύμα επανέγχυσης φαίνεται στο γράφημα (d), ενώ το άθροισμα του γραφήματος (d) και (c) παράγει το ρεύμα του τυλίγματος σε αστέρα, που απεικονίζεται στο γράφημα (e). Ομοίως, στη γέφυρα συνδεδεμένης σε αστέρα, ρεύμα επανέγχυσης προστίθεται στη βασική κυματομορφή (f) για να παραχθεί το ρεύμα, που απεικονίζεται στο γράφημα (g). Τέλος, το άθροισμα του γραφήματος (e) και (g) οδηγεί στη κυματομορφή του 24-παλμικό ρεύματος εξόδου γράφημα (j). [19], που απεικονίζεται στο Ωστόσο, η ιδέα της επανέγχυσης της κυμάτωσης έννοια δεν έχει βρεθεί ανταγωνιστική με τη συμβατική διαμόρφωση του μετατροπέα υποστηριζόμενη από φίλτρα. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ρόλο που διαδραματίζουν τα φίλτρα στην παροχή άεργου ισχύος απαιτήσεις της διαδικασίας φυσικής μεταγωγής. Η χρησιμοποίηση διακοπτών με αυτομεταγωγή θέτει την ιδέα της επανέγχυσης ελκυστικότερη. [19] 5.2 Μείωση αρμονικών με φίλτρα Φίλτρα στην AC πλευρά Κατά τον σχεδιασμό της εγκατάστασης μιας μεγάλης μονάδας μετατροπέα, υπάρχει ένα δίλημμα μεταξύ της χρησιμοποίησης ενός μετατροπέα διαμόρφωσης με χαμηλά επίπεδα παραμόρφωσης της κυματομορφής ή της τοποθέτησης φίλτρων. [19] Το μέγεθος του φίλτρου καθορίζεται από την άεργο ισχύ που το φίλτρο παρέχει στην θεμελιώδη συχνότητα. Είναι ίσο με την θεμελιώδη άεργο ισχύ που παρέχεται από τους πυκνωτές. Το συνολικό μέγεθος από όλους του κλάδους του φίλτρου καθορίζεται από τις απαιτήσεις για άεργο ισχύ από την πηγή των αρμονικών και το κατά πόσο η απαίτηση αυτή μπορεί να παρέχεται από το AC δίκτυο ή/και με την επιπλέον τοποθέτηση πυκνωτών. Το μέγεθος της χωρητικότητας των φίλτρων που θα χρειαστεί για τον περιορισμό των αρμονικών θα εξαρτηθεί από τις σύνθετες αντιδράσεις τους συστήματος και τυπικά είναι της τάξης του 20 με 30% του μεγέθους του μετατροπέα. [19] Το ιδανικό κριτήριο για το σχεδιασμό του φίλτρου είναι η εξάλειψη όλων των επιζήμιων επιδράσεων που προκαλούνται από την παραμόρφωση της κυματομορφής, συμπεριλαμβανόμενων των τηλεφωνικών παρεμβολών, των οποίων η ολική εξάλειψη κρίνεται ως η πιο δύσκολη. Μια πιο πρακτική προσέγγιση εντοπίζεται στην προσπάθεια μείωσης του προβλήματος σε έναν αποδεκτό βαθμό, όπου το πρόβλημα εκφράζεται σε αρμονικές ρεύματος ή τάσης ή και των δύο. Κριτήρια βασιζόμενα σε αρμονικές τάσης είναι 84

86 πιο κατάλληλα για το σχεδιασμό των φίλτρων καθώς είναι ευκολότερο να εξασφαλίσεις την παραμονή σε ένα εύλογο όριο της τάσης παρά την παραμονή εντός ενός ορίου ενός επιπέδου ρεύματος, καθώς οι αυτεπαγωγές του AC συστήματος μεταβάλλονται. [19] Χαρακτηριστικοί παράγοντες που πρέπει λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό των φίλτρων είναι: Η παραμόρφωση της τάσης, που προκαλείται από καθεμία των αρμονικών, ενώ η συνολική αρμονική παραμόρφωση ορίζεται ως: Η επίδραση του τηλεφωνικού παράγοντα (telephone influence factor, TIF). Ο εν λόγω παράγοντας δίνει μια προσέγγιση της επίδρασης της παραμορφωμένης κυματομορφής της τάσης ή του ρεύματος μιας γραμμής τροφοδοσίας στο τηλεφωνικό θόρυβο, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα γεωμετρικά στοιχεία της ζεύξης. Οι αρμονικές συχνότητες, οι οποίες είναι ευαίσθητες κατά την ακοή έχουν ψηλό συντελεστή στάθμισης καθώς ακόμα και αν τα μεγέθη των αρμονικών είναι μικρά, ο τηλεφωνικός θόρυβος που θα προκύψει μπορεί να είναι σε απαράδεκτο βαθμό. Ο TIF ορίζεται ως: [ ( ) ] όπου, [ ] Η ποιότητα ενός φίλτρου (Q) εκφράζεται από τη ευκρίνεια του ως προς την ρύθμιση και εκφράζεται διαφορετικά για συντονισμένα και υψιπερατά φίλτρα. Η ακρίβεια της ρύθμισης ενός συντονισμένου αυξάνεται με την αναλογία του συντονισμού της επαγωγής ή της χωρητικότητας με την αντίσταση του, ενώ στην περίπτωση ενός υψιπερατού φίλτρου, η ακρίβεια αυξάνεται αντιστρόφως ανάλογα με αυτήν την αναλογία. [19] Φίλτρα υψηλής ευαισθησίας ή συντονισμένα φίλτρα είναι ακριβώς συντονισμένα σε μία ή δύο από τις χαμηλότερες αρμονικές συχνότητες, όπως η 5 η και 7 η. Φίλτρα χαμηλής ευαισθησίας ή φίλτρα αποσβέσεως (damped filter) παρέχουν μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση σε μία ευρεία ζώνη συχνοτήτων και χρησιμοποιούνται συχνά για την εξάλειψη 85

87 αρμονικών υψηλότερης τάξεως, π.χ. της 17 ης υψιπερατά φίλτρα. [19] και ανωτέρων. Συνήθως αναφέρονται ως Για την εναρμόνιση με τους απαιτούμενους περιορισμούς που τίθενται για τις αρμονικές, κατά τον σχεδιασμό των φίλτρων ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα [19]: 1. Το φάσμα των αρμονικών ρεύματος που παράγεται από τον μετατροπέα σε ένα κύκλωμα που αποτελείται από φίλτρα παράλληλα του AC συστήματος, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, έπειτα οι αρμονικές των τάσεων υπολογίζονται: Σχήμα Απλοποιημένο κύκλωμα για την απεικόνιση της πηγής των αρμονικών, του φίλτρου και του AC δικτύου [19] 2. Τα αποτελέσματα του βήματος 1 χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των επιμέρους και συνολικών επιπέδων αρμονικής παραμόρφωσης. 3. Υπολογίζονται οι καταπονήσεις των κατασκευαστικών στοιχείων του φίλτρου, δηλαδή των πυκνωτών, των πηνίων και των αντιστάσεων, καθώς γίνονται παράλληλα οι αξιολογήσεις τους και οι απώλειες τους. Τρία στοιχεία απαιτούν λεπτομερή εξέταση κατά τον σχεδιασμό του φίλτρο, τα οποία είναι η πηγή των αρμόνικων του ρεύματος, το φίλτρο και οι αγωγιμότητες του συστήματος. Το περιεχόμενο της πηγής των αρμόνικων του ρεύματος μεταβάλλεται καθόλο το εύρος λειτουργίας του μετατροπέα. Οι αγωγιμότητες του συστήματος και του φίλτρου είναι απαραίτητο να υπολογιστούν κατά το ελάχιστο συνολικό ισοδύναμο για κάθε συχνότητα των αρμονικών, καθώς θα οδηγήσει σε μέγιστη παραμόρφωση της τάσης. [19] Ο πιο προφανής σχεδιασμός ενός φίλτρου είναι μια μονή ευρυζωνοπερατή διαμόρφωση ικανή για την εξάλειψη όλου του φάσματος των εγχεόμενων αρμονικών (για παράδειγμα στην περίπτωση του 6-παλμικού μετατροπέα, την εξάλειψη της 5 ης και άνω αρμονικών). Όμως, η χωρητικότητα που απαιτείται για την ικανοποίηση ενός τέτοιου στόχου είναι δυσπρόσιτα μεγάλη και αντιοικονομική. Η πιο προσιτή οικονομικά λύση είναι η εξάλειψη των αρμονικών χαμηλών τάξεων μέσω ενός σκέλους συντονισμένου φίλτρου, οι οποίες 86

88 αρμονικές χαμηλών τάξεων για τον μετατροπέα διπλής γέφυρας HVDC είναι η 11 η και η 13 η. [19] Από τεχνικής απόψεως, είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστεί εκ των προτέρων η κατανομή των αρμονικών σε όλο το δίκτυο. Από οικονομικής πλευράς, η μείωση της τηλεφωνικής παρεμβολής μπορεί να επιτευχθεί οικονομικότερα με τη λήψη μερικών προληπτικών μέτρων στο τηλεφωνικό σύστημα και άλλων στο σύστημα ισχύος. [27] Ο δείκτης THD της τάσης είναι περισσότερος αντιπροσωπευτικός από το αριθμητικό άθροισμα, επειδή αντιστοιχεί στην ισχύ των αρμονικών και συσχετίζεται επομένως περισσότερο με τη δριμύτητα-οξύτητα της διαταραχής. Τα συνιστώμενα κριτήρια για τα φίλτρα μετατροπέων HVDC είναι το ανώτατο όριο οποιασδήποτε αρμονικής και το THD. Γενικά είναι ικανοποιητικό να περιληφθούν όλες οι αρμονικές μέχρι την 25 η τάξη αρμονικής. Οι μέγιστες τιμές των μεμονωμένων αρμονικών εμφανίζονται γενικά για διαφορετικές περιπτώσεις. Είναι επομένως απαραίτητο να διευκρινιστεί εάν για τον υπολογισμό του THD πρέπει να χρησιμοποιηθούν εκείνες οι τιμές των αρμονικών που μπορούν να εμφανιστούν ταυτόχρονα, ή εκείνες οι τιμές (οι μέγιστες για κάθε αρμονική) που είναι μη-συμπίπτουσες χρονικά. [27] Σχετικά με την τηλεφωνική παρεμβολή, αν και χρησιμοποιείται σε διάφορα προγράμματα, η χρήση του δείκτη IT σε έναν κόμβο ενός συστήματος μετάδοσης έχει λίγη σημασία. Σε περιπτώσεις όπου η ειδική αντίσταση της γης είναι υψηλή είναι σωστό τα μεγέθη των αρμονικών ρευμάτων που ρέουν στις συγκεκριμένες γραμμές μεταφοράς που βρίσκονται κοντά στις τηλεφωνικές γραμμές να περιοριστούν. [27] Για να είναι δυνατή η συμμόρφωση με τους κανονισμούς, ο σχεδιασμός των φίλτρων περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα [27]: I. Το αρμονικό ρεύμα που παράγεται από το μη γραμμικό φορτίο κατευθύνεται σε ένα κύκλωμα που αποτελείται από φίλτρα παράλληλα με το κεντρικό δίκτυο και υπολογίζονται εκ νέου αρμονικές τάσεις. II. Τα αποτελέσματα από το βήμα (Ι) χρησιμοποιούνται για να καθοριστούν συγκεκριμένες παράμετροι όπως το THD και το TIF. III. Τα ρεύματα στα διάφορα στοιχεία των φίλτρων, δηλαδή πυκνωτές, πηνία και αντιστάτες, υπολογίζονται και ύστερα υπολογίζονται η φόρτιση των φίλτρων και οι απώλειές τους. Η σχεδίαση των φίλτρων πρέπει να είναι τέτοια ώστε να παρέχουν ένα ποσοστό της άεργου ισχύος που απαιτείται από τους μετατροπείς κατά τις λειτουργίες ανόρθωσης και αντιστροφής. Στην θεμελιώδη συχνότητα κυριαρχεί η χωρητική αντίσταση των φίλτρων απέναντι στα επαγωγικά στοιχεία τους και αν είναι η ενεργός παράλληλη χωρητικότητα που εμφανίζεται ανά φάση από τα φίλτρα της ac πλευράς στην θεμελιώδη συχνότητα, τότε η άεργος ισχύς που παρέχουν ανά φάση σε var μπορεί να προσεγγιστεί από την σχέση: 87

89 όπου, η ενεργός φασική τάση που εφαρμόζεται στα φίλτρα. Οι πυκνωτές των φίλτρων καλό είναι να επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη ότι η άεργος ισχύς που παρέχεται από αυτούς δεν υπερβαίνει την απαίτηση άεργου ισχύος των μετατροπέων κατά την λειτουργία στο κατώτατο επίπεδο ισχύος ώστε να μην δημιουργείται πρόβλημα υπέρτασης. Επειδή οι δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς καταναλώνουν μεγάλα ποσά άεργου ισχύος, συνδέονται στο σύστημα επιπλέον πυκνωτές αντιστάθμισης. Η φορά της άεργου ισχύος μπορεί να είναι μόνο από το ac σύστημα προς τον μετατροπέα. Η απαίτηση άεργου ισχύος από τους CSC είναι συναρτήσει με την μεταφερόμενη ενεργό ισχύ, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα Ζήτηση άεργου ισχύος συναρτήσει της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος [21] Η κατανάλωση άεργου ισχύος από τους μετατροπείς εξαρτάται από την γωνία έναυσης α. Για παράδειγμα για γωνία α=30 ο η ζήτηση άεργου ισχύος από τον ανορθωτή είναι περίπου το 60% της μεταφερόμενης ισχύος σε πλήρες φορτίο [21]. Ειδικότερα, αν η επαγωγή διαρροής αγνοηθεί, η μεταφερομένη ενεργός ισχύς μέσω του ανορθωτή και η απαιτούμενη άεργος ισχύς του στην θεμελιώδη συχνότητα δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις [22]: Αντίστοιχα για τον αντιστροφέα είναι: 88

90 Όπου, η πολική τάση στην ac πλευρά του μετατροπέα το dc ρεύμα η γωνία έναυσης η γωνία σβέσης Είναι προφανές ότι όσο μικρότερη είναι η γωνία α τόσο μικρότερη είναι η κατανάλωση άεργου ισχύος από τον ανορθωτή και όσο μικρότερη είναι η γωνία γ τόσο μικρότερη η κατανάλωση άεργου ισχύος από τον αντιστροφέα. Είναι επιθυμητό η γωνία α να έχει μικρές τιμές (π.χ. 10 ο -20 ο ). Με μικρές τις προηγούμενες γωνίες επιτυγχάνονται μεγάλοι συντελεστές ισχύος στους CSC. Η επιλογή της γωνίας γ όμως εξαρτάται από την στρατηγική ελέγχου και τον παράγοντα της αποτροπής των αποτυχιών μεταγωγής. [21] Μονοσυντονιζόμενο Φίλτρο Ένα μονοσυντονιζόμενο φίλτρο είναι ένα κύκλωμα RLC σε σειρά συντονισμένο σε μία αρμονική συχνότητα και παρέχει μια χαμηλή αρμονική σύνθετη αντίσταση. Η σύνθετη του αντίσταση υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: [28] ( ) Σχήμα Κύκλωμα Μονοσυντονιζόμενου Φίλτρου Στη συχνότητα συντονισμού ισχύει η παρακάτω σχέση [28]: Συνεπάγεται, λοιπόν από τη σχέση 6.3.1, ότι [28]: Ένα ιδανικό μονοσυντονιζόμενο φίλτρο πρέπει να είναι συντονισμένο στη συχνότητα που εξισώνει την σύνθετη αγωγιμότητα με την σύνθετη χωρητικότητα. Ο συντελεστής ποιότητας (Q) ορίζει την ακρίβεια του συντονισμού, διακρίνοντας τα φίλτρα σε υψηλού ή χαμηλού 89

91 συντελεστή Q. Φίλτρα με υψηλό συντελεστή Q είναι ακριβώς συντονισμένα σε μία από τις χαμηλότερες αρμονικές, ενώ τυπικές τιμές του συντελεστή Q κυμαίνονται από Φίλτρα με χαμηλό συντελεστή Q στην περιοχή των έχουν χαμηλή σύνθετη αντίσταση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Όταν τα φίλτρα χρησιμοποιούνται για την εξάλειψη αρμονικών ανώτερων τάξεων αναφέρονται επίσης και ως υψιπερατά φίλτρα. Στην περίπτωση ενός συντονισμένου φίλτρου, ο συντελεστής Q ορίζεται ως ο λόγος της αυτεπαγωγής (ή της χωρητικότητας) προς την αντίσταση κατά τη συχνότητα συντονισμού [28]: Η ζώνη διόδου (pass band PB) του φίλτρου οριοθετείται από τις συχνότητες στις οποίες η αντίδραση του φίλτρου είναι ίση με τη αντίσταση του. Δηλαδή, η γωνία της σύνθετης αντίστασης είναι 45 και το μέγεθος είναι. Η σχέση μεταξύ του συντελεστή ποιότητας και της ζώνης διόδου μπορεί να εκφραστεί ως [28]: όπου: η γωνιακή συχνότητα συντονισμού (rad/s) Σχήμα Χαρακτηριστική Σύνθετης Αντίστασης Μονοσυντονιζόμενου Φίλτρου [28] Πριν από την εκλογή του R, L και C πρέπει να αποφασίσουμε δύο παραμέτρους σχεδιασμού. Πρόκειται για τον παράγοντα συντονισμού (δ) και τον συντελεστή ποιότητας (Q). Λαμβάνοντας εκ των προτέρων υπόψη το γεγονός ότι, το φαινόμενο συντονισμού στη συχνότητα που προκαλείται οφείλεται από τις διακυμάνσεις των τιμών των παραμέτρων. Για την έκφραση της σύνθετης αντίστασης του φίλτρου με τους όρους δ και Q, εφαρμόζονται οι παρακάτω σχέσεις [28]: 90

92 Η αντίδραση του πυκνωτή ή του πηνίου σε Ohm στη συχνότητα συντονισμού είναι: Αντικαθιστώντας τις σχέσεις 5.2.6, και στην προκύπτει: ( ) [ { }] { ( )} Ή θεωρώντας πως το δ είναι σχετικά μικρό σε σύγκριση με τη μονάδα: Και Η έκταση αποσυντονισμού του φίλτρου από την ονομαστική συχνότητα συντονισμού αντιπροσωπεύεται από τον παράγοντα συντονισμού (δ). Το φίλτρο μπορεί να αποσυντονιστεί εξαιτίας διάφορων αιτιών [28]: i. Διακυμάνσεις στην θεμελιώδη συχνότητα ii. Διαφοροποιήσεις στη χωρητικότητα του φίλτρου και στην επαγωγή που προκαλείται από τη γήρανση ή θερμοκρασία iii. Τον αρχικό αποσυντονισμό που προκαλείται από κατασκευαστικές ανοχές και πεπερασμένο μέγεθος των βημάτων συντονισμού. 91

93 Η παρακάτω σχέση δείχνει τον συνολικό αποσυντονισμό σε per unit με βάση την ονομαστική συχνότητα συντονισμού: Επιπλέον, μια μεταβολή της τάξης του 2% του L ή C προκαλεί τον ίδιο αποσυντονισμό, όπως μια μεταβολή της τάξης του 1% της συχνότητας του συστήματος. [28]:Για αυτό το λόγο, εκφράζεται συχνά ως: ( ) Η παρακάτω σχέση δείχνει τη σχέση μεταξύ της ιδανικής τάξης συντονισμού και της πραγματικής: όπου: η ιδανική τάξη συντονισμού η τάξη συντονισμού λαμβάνοντας υπόψη τον παράγοντα συντονισμού (δ) Δεδομένα Αναμενόμενα σφάλματα Συχνότητα Μεταβολές στην επαγωγή (L) Μεταβολές στη χωρητικότητα (C) Πίνακας 4 «Αναμενόμενα σφάλματα» [28] Συνοψίζοντας, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρησιμοποίησης ενός μονοσυντονιζόμενου φίλτρου. [29] Πλεονεκτήματα Απλή σύνδεση με μόνο δύο στοιχεία Βέλτιστη απόσβεση για μια αρμονική Χαμηλές απώλειες Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης Μειονεκτήματα Απαιτούνται πολλά φίλτρα για διαφορετικές αρμονικές Παρουσιάζει ευαισθησία σε φαινόμενα αποσυντονισμού Μπορεί να απαιτεί παρουσία πρόσθετων αυτεπαγωγών ή πυκνωτών 92

94 5.2.3 Διπλοσυντονιζόμενο Φίλτρο Τα διπλοσυντονιζόμενα φίλτρα συμπεριφέρονται ως έχοντας ως πλεονέκτημα χαμηλότερες απώλειες. δυο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα, Σχήμα Κύκλωμα Διπλοσυντονιζόμενου Φίλτρου Κυκλωματικά αποτελούνται από ένα εν σειρά LC κύκλωμα και ένα εν παραλλήλω RLC κύκλωμα. Αν και είναι οι συχνότητες συντονισμού των δυο αυτών κυκλωμάτων ξεχωριστά, τότε το συνδυασμένο κύκλωμα συντονίζεται στην μέση γεωμετρική συχνότητα. Ο συντελεστής ποιότητας του διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου είναι ο συντελεστής ποιότητας των εν παραλλήλω L και R στοιχείων στην συχνότητα. Συνοψίζοντας, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρησιμοποίησης ενός διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου [29]. Πλεονεκτήματα Βέλτιστη απόσβεση για δύο αρμονικές Μικρότερες απώλειες από δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα Απαιτεί μικρότερο μεγέθους φίλτρου για αρμονικές μικρού μεγέθους Μειονεκτήματα Παρουσιάζει ευαισθησία σε φαινόμενα αποσυντονισμού Μπορεί να απαιτεί παρουσία πρόσθετων αυτεπαγωγών ή πυκνωτών Πολύπλοκη διασύνδεση, όπου απαιτούνται 4-5 RLC στοιχεία Απαιτεί δύο απαγωγείς υπερτάσεων 93

95 5.2.4 Υψιπερατό φίλτρο Ένα υψιπερατό φίλτρο είναι ένα κύκλωμα RLC με την αυτεπαγωγή να είναι παράλληλα με την αντίσταση. Αυτά τα φίλτρα οφείλουν το όνομά τους στο γεγονός ότι έχουν μικρή σύνθετη αντίσταση για τις υψηλές συχνότητες σε αντίθεση με τις μικρές συχνότητες όπου η σύνθετη αντίσταση του φίλτρου εκεί είναι μεγάλη. Έτσι αυτού του είδους τα φίλτρα χρησιμοποιούνται για ένα εύρος των υψηλών αρμονικών και όχι για μια και μόνο συχνότητα. Σχήμα Κύκλωμα Υψιπερατού Φίλτρου Δευτέρας τάξης Δύο μόνο παράγοντες χρειάζονται προσοχή στην χρήση τέτοιου είδους φίλτρων [27]: 1) Η ελάχιστη σύνθετη αντίσταση αυτού του είδους φίλτρων ποτέ δεν φτάνει τόσο χαμηλά όσο στα φίλτρα που συντονίζονται σε μια και μόνο συχνότητα. 2) Αν προσπαθούσαμε να καταστείλουμε μεγάλο εύρος αρμονικών με την χρήση ενός συντονιζόμενου φίλτρου τότε θα απαιτούνταν το φίλτρο να ήταν υπερβολικά υπερφορτισμένο σε σχέση τα ονομαστικά του μεγέθη. Σε αντίθεση με τα μονοσυντονιζόμενα φίλτρα, ο συντελεστής ποιότητας ενός φίλτρου που κόβει τις υψηλές συχνότητες δίνεται από την σχέση: Όπου η αντίσταση του φίλτρου η αρμονική συντονισμού η ονομαστική αντίδραση του πηνίου η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση του φίλτρου Φίλτρα στην DC πλευρά Στην DC πλευρά των HVDC μετατροπέων, οι αρμονικές ρεύματος δημιουργούν αρμονικές τάσεων, των οποίων το εύρος εξαρτάται από γνωστά στοιχεία, όπως οι γωνίες έναυσης και μετάβασης καθώς και η σύνθετη αντίσταση των DC κυκλωμάτων (για παράδειγμα τις 94

96 αντιδράσεις εξομάλυνσης, τα κυκλώματα αποσβέσεων, πυκνωτές λόγω υπερτάσεων και η ίδια η γραμμή). [19] Σε αντίθεση με τα AC φίλτρα, τα DC φίλτρα [19]: Δεν φέρουν ισχύ σε θεμελιώδη συχνότητα και επομένως έχουν σημαντικά λιγότερες απώλειες. Δεν χρειάζεται να παρέχουν άεργο ισχύ καθώς η μόνη λειτουργία τους είναι να μετριάζουν τις αρμονικές. Αποτελούνται από ένα κύριο πυκνωτή, ο οποίος πρέπει να αντέχει την πλήρη πόλου-ουδετέρου DC τάση. Επίσης, οι σύνθετες αντιστάσεις των αρμονικών δεν αλλάζουν με τις συνθήκες λειτουργίας και συνεπώς είναι πιθανή η χρησιμοποίηση συντονισμένων φίλτρων με υψηλότερους συντελεστές Q, έχοντας ως αποτέλεσμα την χρησιμοποίηση μικρότερων πυκνωτών και αντιδράσεων. [19] Τα κριτήρια που πρέπει να πληρούνται από τα φίλτρα αφορούν κυρίως την τηλεφωνική παρεμβολή από την DC γραμμή και οφείλουν να συμμορφώνονται με τις οδηγίες της CCITT [19]: Η επαγόμενη τάση που μετριέται στους συνδρομητές, για λόγους ασφαλείας, δεν θα πρέπει κανονικά να υπερβαίνει τα 60 V (rms). Η επαγόμενη φωσφομετρική ηλεκτρεγερτική δύναμη (psophometric e. m. f. )δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1 mv, αν χρησιμοποιούνται για τις μετρήσεις θορύβου φωσφομετρικές σταθμίσεις (weightings). Θα πρέπει ο θόρυβος όταν χρησιμοποιείται στάθμιση C-message να μην υπερβαίνει τα 20dB rnc. Οι απαιτήσεις των επιδόσεων εκτιμώνται συνήθως από το «ισοδύναμο ανεπιθύμητο ρεύμα» (equivalent disturbing current -EDC), κατά το οποίο όλες οι αρμονικές των ρευμάτων μειώνονται σε μία συχνότητα, υποθέτοντας πως το εν λόγω ρεύμα προκαλεί την ίδια επίδραση της παρεμβολής στις τηλεφωνικές γραμμές, δηλαδή [19]: όπου, η τάξη των αρμονικών το ανώτερο όριο συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 2.5 και 5 khz κανονικοποιημένοι συντελεστές στάθμισης για την τάξη n των αρμονικών, ορίζονται στα 800 Hz ή 1000 Hz για φωσφομετρικές σταθμίσεις (weightings) και για σταθμίσεις C-message, αντίστοιχα. παράγοντας εξαρτώμενος από τη συχνότητα, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τις διάφορες (εφόσον είναι σημαντικές σε τιμή) αμοιβαίες αντιδράσεις μεταξύ της 95

97 γραμμής HVDC και τις γραμμές των τηλεπικοινωνιών, της θωράκισης και των τηλεπικοινωνιακών κυκλωμάτων ισορροπίας. Οι μέγιστες επιτρεπτές τιμές ου συγκεκριμένου ρεύματος είναι: Η εκτίμηση παρεμβολής απαιτεί λεπτομερή στοιχεία για τις αρμονικές των τάσεων και τις αρμονικές του ρεύματος κατά μήκος της γραμμής HVDC. Ως κύριο πρόβλημα θεωρείται η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή λόγω των αρμονικών του ρεύματος. Επιπλέον, δεδομένου ότι και τα δύο άκρα της σύνδεσης συνεισφέρουν στην διαταραχή, είναι αναγκαίο να ληφθούν τα δεδομένα των αρμονικών της τάσης και του ρεύματος και της άλλης πλευράς της σύνδεσης και να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις τους [19]. Dc φίλτρα απατούνται όταν η διασύνδεση HVDC γίνεται με διπολική διασύνδεση και με εναέρια γραμμή. Αντιθέτως, στην περίπτωση διασύνδεσης back-to-back και μεταφορά μέσω καλωδίου δεν υπάρχουν απαιτήσεις για dc φίλτρα. [25] Κατά τη διπολική διασύνδεση με ίσες αρνητικές και θετικές τάσεις εξασφαλίζεται λιγότερο φιλτράρισμα. [25] Μονοπολική διασύνδεση, είτε με επιστροφή μέσω γης είτε μεταλλική, δίνει υψηλότερες τιμές τάσης θορύβου. Ενώ από τις δύο επιστροφές, εκείνη που επιτυγχάνει λιγότερες παρεμβολές είναι εκείνη με επιστροφή μέσω γης. [25] Αυτεπαγωγή Εξομάλυνσης-Smoothing reactor Η αυτεπαγωγή εξομάλυνσης (smoothing reactor) τοποθετείται στη DC πλευρά σε σειρά με το μετατροπέα. Η κύρια λειτουργία της είναι η μείωση της κυμάτωσης του DC ρεύματος μέσω της εξάλειψης των αρμονικών του. Αυξάνοντας την τιμή της μειώνεται η συχνότητα συντονισμού στην DC γραμμή. 5.3 Φίλτρα σε υπάρχοντες σταθμούς Three Gorges Guangdong Τάση 500kV, Ισχύς 3000ΜW, Θυρίστορ, Έτος κατασκευής: 2004 ΑΒΒ AC φίλτρα: Χρησιμοποιήθηκαν 4 τύποι: Φίλτρα διπλού συντονισμού στην 11 η και 13 η αρμονική Φίλτρα διπλού συντονισμού στην 24 η και 36 η αρμονική Φίλτρα διπλού συντονισμού στην 12 η και 24 η αρμονική Τύπου C 3 ης αρμονικής 96

98 Παράλληλος πυκνωτής με ή χωρίς αντίδραση απόσβεσης DC φίλτρα: Στιβαρό παθητικό φιλτράρισμα DC εξασφαλίζει ένα επίπεδο απόδοσης 500 MAP (Bipole) /1000 map (μονοπολικό). Κάθε τερματικός πόλος έχει φίλτρα διπλού συντονισμού: στην 12 η και 24 η αρμονική στην 12 η και 36 η αρμονική Caprivi Link, Africa, Namibia Τάση 350kV, Ισχύς 300ΜW, IGBT, Έτος κατασκευής: 2010 ΑΒΒ Οι αρμονικές, οι οποίες παράχθηκαν από τους σταθμούς των μετατροπέων δεν πρέπει να υπερβούν το 50% των επιτρεπόμενων μεγίστων επιπέδων NRS. Όλες οι προβλεπόμενες και οι πιθανές ενδεχόμενες αντιδράσεις του ac δικτύου έχουν υπολογιστεί για την καταστολή των αρμονικών Μέσω της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) έχουν κατασταλεί οι αρμονικές των τάξεων 5, 7, 11, 13, 15, 17, 19, 23, 25, 29 Έχουν εγκατασταθεί φίλτρα συντονισμένα στης 3 η, 32 η και 60 η αρμονική. Basslink, Australia Τάση 400kV, Ισχύς 500ΜW, Θυρίστορ, Έτος κατασκευής: 2006 SIEMENS Για τις απαιτήσεις άεργου ισχύος έχουν χρησιμοποιηθεί 313 MVar παράλληλοι πυκνωτές. Η εν λόγω αποζημίωση άεργου ισχύος έχει καταμερισθεί σε 5 υποτράπεζες των 43 MVar η κάθε μία και μία πρόσθετη υποτράπεζα των 98 MVar για να υπάρχει συμμόρφωση με τον περιορισμό της μεταβολής της ac τάσης λόγω της μεταβολής των φίλτρων και με τον περιορισμό των ορίων του φαινόμενου flicker. Φίλτρα τριπλού συντονισμού έχουν προβλεφτεί στο σταθμό του George Town, ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις για τον περιορισμό των αρμονικών. Όλα τα 5 φίλτρα έχουν σχεδιαστεί να περιορίσουν τις αρμονικές του μετατροπέα τάξεως 11 η, 13 η και 23 η, 25 η κτλ. 97

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6-ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑC ΦΙΛΤΡΩΝ ΣE HCDV - CSC ΣΥΣΤΗΜΑ 6.1 Κύκλωμα προσομοίωσης Το μοντέλο προσομοιώνει μια μονοπολική HVDC διασύνδεση 1000MW με ονομαστική τάση 500kV, το οποίο είναι έτοιμο στην βιβλιοθήκη του SIMULINK\ SimPowerSystems\ Specialized Technology\ Power Electronics. Η μονοπολική διασύνδεση αποτελεί τον πιο απλό και φθηνό τρόπος διασύνδεσης. Στην συγκεκριμένη διασύνδεση, οι δύο μετατροπείς συνδέονται µε έναν µόνο αγωγό. 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, στις οποίες έχουμε σαν επιστροφή έναν μεταλλικό αγωγό. [20] Το ονομαστικό ρεύμα είναι: Σχήμα 6. 1 Μονοπολική διασύνδεση [29] Τα ac συστήματα αντιπροσωπεύονται από ένα ισοδύναμο LR με γωνία 80 ο (όπως αποδεικνύεται και στο υποκεφάλαιο 6.2.1) στη θεμελιώδη συχνότητα (60 Ηz ή 50 Ηz) και στη 3 η αρμονική. Ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας είναι δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς που αποτελούνται από δύο εξαπαλμικές γέφυρες θυρίστορ σε σειρά. Η σύνδεση των μετατροπέων με τα ac δίκτυα γίνεται μέσω μετασχηματιστών 1200MVA, 3 τυλιγμάτων συνδεσμολογίας Υ g yd1. Οι αυτόματοι μεταγωγείς τάσης (tap changers) του μετασχηματιστή δεν είναι προσομοιωμένες. Η θέση του μεταγωγέα είναι μάλλον σε μία σταθερή θέση, η οποία προσδιορίζεται από έναν συντελεστή πολλαπλασιασμού που εφαρμόζεται στην ονομαστική τάση πρωτεύοντος των μετασχηματιστών (0.90 στην πλευρά του ανορθωτή και 0,96 στην πλευρά του αντιστροφέα). 98

100 Η συνδεσμολογία αυτή επιτυγχάνει την τροφοδοσία της μίας εκ των δύο εξαπαλμικών γεφυρών με σύνδεση και με σύνδεση τριγώνου. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται, όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο, η τάση του δευτερεύοντος σε αστέρα να προηγείται της τάσης του δευτερεύοντος σε τρίγωνο κατά 30 ο, η οποία επιδρά στην εξάλειψη των αρμονικών της 5 ης και της 7 ης τάξης στην ac πλευρά και 6 ης τάξης στη dc πλευρά. Η dc γραμμή μοντελοποιείται σύμφωνα με την μέθοδο του Bergeron. Στη συγκεκριμένη μέθοδο, η τιμή του ρεύματος στο άκρο μιας γραμμής μεταφοράς εξαρτάται μόνο από την τάση του άκρου, ενώ οι συνθήκες του άλλου άκρου της γραμμής εκφράζονται μέσα από τον όρο της προϊστορίας, με χρονική καθυστέρηση ίση με τον χρόνο όδευσης. Αυτό το κυκλωματικό ισοδύναμο με απόζευξη των δύο ακροδεκτών της γραμμής είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για την μεθοδολογία των αριθμητικών υπολογισμών των σχετικών πινάκων. [30] Οι μεγάλες αυτεπαγωγές εξομάλυνσης στην dc πλευρά μειώνουν το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος και το ρεύμα του dc σφάλματος, ενώ παράλληλα αποτρέπουν τον συντονισμό στο dc κύκλωμα και αποτρέπουν το φαινόμενο ασυνεχούς ρεύματος (intermittent current). [21] Στο συγκεκριμένο μοντέλο ισχύουν οι εξής παράμετροι: AC σύστημα 1 AC σύστημα 2 Ζυγοί αντιστροφέα-ανορθωτή Μοντέλο μονoπολικής HVDC διασύνδεσης 500kV, R=26.07Ω, Lα=98.03mΗ, Lb=48.86mΗ 345kV, R=26.07Ω, Lα=28mΗ, Lb=13.96mΗ Base Power=100MVA, Nominal voltage=500kv Μετασχηματιστής Ανορθωτή 1200MVA, [V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu)]= [500e3* ], [V2 Ph-Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu)]= [200e ], [V3 Ph-Ph(Vrms), R3(pu), L3(pu)]= [200e ] Magnetization resistance/inductance(pu)=500 Μετασχηματιστής Αντιστροφέα 1200MVA, [V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu)]= [345e3* ], [V2 Ph-Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu)]= [200e ], [V3 Ph-Ph(Vrms), R3(pu), L3(pu)]= [200e ] Magnetization resistance/inductance(pu)=500 Ανορθωτής/Αντιστροφέας Snubber resistance Rs (Ohms)=2000, Snubber capacitance Cs (F)=0.1e-6, Ron (Ohms)=1e-3 Αυτεπαγωγή Εξομάλυνσης R=1Ω, L=0.5H DC γραμμή Line length=300km, R=0.015Ω/km L=0.792mH/km C=14.4nF/km Πίνακας 5 «Παράμετροι κυκλώματος προσομοίωσης» Το χρονικό διάστημα προσομοίωσης είναι 2 sec. Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας και το σύστημα ελέγχου και προστασίας προσομοιώνονται με διακριτό χρόνο. 99

101 6.2 Προσομοίωση χωρίς φίλτρα Το κύκλωμα χωρίς την παρουσία φίλτρων παρουσιάζεται παρακάτω: Σχήμα 6. 2 Κύκλωμα προσομοίωσης χωρίς φίλτρα Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Μέσω του εργαλείου Powergui Impedance vs Frequency Measurement Tool του Simulink παρατηρούμε την σύνθετη αντίσταση του ac συστήματος 1 και 2, η οποία επαληθεύεται και θεωρητικά. Θεωρητική Ανάλυση Το ac σύστημα αναπαριστάται στο μονοφασικό ισοδύναμο του σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα: Σχήμα 6. 3 Μονοφασικό ισοδύναμο ac συστήματος 100

102 Από το παραπάνω σχήμα, η σύνθετη αντίσταση υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: Για το ac σύστημα 1, ισχύουν τα παρακάτω μεγέθη: Οπότε, η σχέση προκύπτει: Για το ac σύστημα 2, ισχύουν τα παρακάτω μεγέθη: Συνεπώς, η σχέση προκύπτει: Οι ενεργοί λόγοι βραχυκύκλωσης στην ισχύ των 1000 MW προκύπτουν: 101

103 Powergui Impedance vs Frequency Measurement Tool Μέσω του εν λόγω εργαλείου του MATLAB/SIMULINK λαμβάνουμε τα παρακάτω διαγράμματα απόκρισης συχνότητας. Σχήμα 6. 4 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση του ac συστήματος 1 Σχήμα 6. 5 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση του ac συστήματος 2 102

104 Παρατηρούμε, πως στα δύο παραπάνω σχήματα η απουσία χωρητικών στοιχείων δεν εισάγει στα ac συστήματα 1 και 2 φαινόμενα συντονισμού σειράς ή παράλληλου συντονισμού, τα οποία διακρίνονται από την απουσία αιχμών που θα σηματοδοτούσαν είτε πολύ μικρή σύνθετη αντίσταση είτε πολύ μεγάλη σύνθετη αντίσταση αντίστοιχα. Αντίθετα, η DC γραμμή παρουσιάζει χωρητική και επαγωγική συμπεριφορά, με αποτέλεσμα, όπως θα δούμε στο επόμενο σχήμα, να διακρίνονται συχνότητες που λαμβάνουν χώρα φαινόμενα συντονισμού. Σχήμα 6. 6 Σύνθετη Αντίσταση και Φάση dc γραμμής Συγκεκριμένα, η dc γραμμή στην συχνότητα παρουσιάζει μέγιστη τιμή της σύνθετης αντίστασης και συνεπώς πρόκειται συχνότητα παράλληλου συντονισμού, ενώ στις συχνότητες, και, η dc γραμμή παρουσιάζει ελάχιστη τιμή της σύνθετης αντίστασης και συνεπώς πρόκειται συχνότητα συντονισμού σειράς. 103

105 6.2.2 Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Σχήμα 6. 7 Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect Σχήμα 6. 8 Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode 104

106 Σχήμα 6. 9 Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg) 105

107 6.2.3 Ανάλυση ελέγχου μετατροπέων Η εκκίνηση και η παύση των μετατροπέων γίνεται από το master control. Σχήμα Κύκλωμα master control Σε αυτό το στάδιο, δημιουργείται το ρεύμα αναφοράς του ανορθωτή και του αντιστροφέα. Και οι δύο μετατροπείς (ανορθωτής και αντιστροφέας) διαθέτουν μια ομάδα ελεγκτών, που σκοπό έχει τον έλεγχο της έναυσης και της σβέσης των θυρίστορ των γεφυρών. Ελεγκτές Ανορθωτή 1. Ελεγκτής dc ρεύματος 2. Λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α 3. Ελεγκτής VDCOL 4. Κατάσταση λειτουργίας Ελεγκτές Αντιστροφέα 1. Ελεγκτής dc ρεύματος 2. Ελεγκτής dc τάσης 3. Ελεγκτής ελάχιστης γωνίας τάσης 4. Λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α 5. Ελεγκτής VDCOL 6. Κατάσταση λειτουργίας Στο μοντέλο υφίστανται οι παρακάτω καταστάσεις λειτουργίας, οι οποίες συμβολίζονται με τη μεταβλητή mode (1-6): 0. Μπλοκαρισμένος Μετατροπέας 1. Λειτουργία ελέγχου ρεύματος 2. Λειτουργία ελέγχου τάσης 3. Λειτουργία ελάχιστης γωνίας α 4. Λειτουργία μέγιστης γωνίας α 5. Λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α 6. Λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης 106

108 Η ακριβής και συνεχής μέτρηση των μεγεθών του συστήματος, δηλαδή η μέτρηση του dc ρεύματος, της dc τάσης, της γωνίας έναυσης α για τον ανορθωτή και της γωνίας σβέσης γ για τον αντιστροφέα, είναι απαραίτητη για τον έλεγχο του συστήματος. Σημαντικές πληροφορίες του συστήματος είναι οι παρακάτω: Σε κανονική λειτουργία, ο ανορθωτής ελέγχει το dc ρεύμα, ενώ ο αντιστροφέας ελέγχει τη dc τάση. Τα ρεύματα αναφοράς που στέλνονται στους δύο μετατροπείς είναι ίδια για να είναι δυνατός ο έλεγχος περιθωρίου ρεύματος. Μεταβάλλοντας το ρεύμα αναφοράς (μέσω του Id_ref_step στο μοντέλο) επιτυγχάνεται έλεγχος του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος. Δεν έχει επιλεχθεί κάποια βηματική μεταβολή της αναφοράς του dc ρεύματος, καθώς είναι εκτός των πλαισίων προσανατολισμού της παρούσας διπλωματικής. Ο έλεγχος σταθερού ρεύματος στον ανορθωτή περιορίζει το μέγιστο dc ρεύμα για την προστασία των βαλβίδων. Ο έλεγχος σταθερής τάσης στον αντιστροφέα εξασφαλίζει λειτουργία στην μέγιστη dc τάση μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς. Ο έλεγχος ελάχιστης γωνιάς σβέσης στο αντιστροφέα μειώνει τις αποτυχίες μεταγωγής βελτιώνοντας την ευστάθεια του συστήματος. Η λειτουργία ελάχιστων γωνιών έναυσης μειώνει την κατανάλωση άεργου ισχύος σους μετατροπείς ρυθμίζοντας παράλληλα και την τάση για οικονομικούς λόγους. Με σταθερό έλεγχο της ac τάσης, η γωνία έναυσης για χαμηλά επίπεδα ισχύος μπορεί να είναι μεγάλη. Για να μειωθεί το εύρος, στο οποίο η γωνία έναυσης μπορεί να λειτουργήσει στη στάσιμη κατάσταση, ο μετασχηματιστή μέσω του tapchanger που διαθέτει μπορεί να μεταβάλλει την εφαρμοζόμενη ac τάση και συνεπώς το εύρος στο οποίο λειτουργεί η γωνία έναυσης. (έλεγχος γωνίας έναυσης) [31] Σχήμα Χαρακτηριστικές Ιd-Vd CSC κυκλώματος [21] Σχήμα Χαρακτηριστικές Ιd-Vd CSC κυκλώματος [37] 107

109 6.2.4 Ανάλυση χαρακτηριστικών σταθερής κατάστασης Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε κανονική λειτουργία, ο ανορθωτής ελέγχει το dc ρεύμα, ενώ ο αντιστροφέας ελέγχει τη dc τάση, διατηρώντας σταθερή την γωνία σβέσης, με αποτέλεσμα την μείωση της τάσης όταν αυξάνεται το ρεύμα. Ο ανορθωτής του συστήματος ελέγχει το dc ρεύμα. Ο έλεγχος αυτός μπορεί να γίνει αν η γωνία έναυσης δεν είναι στην ελάχιστη τιμή της. Ο ανορθωτής πρέπει να διατηρεί το dc ρεύμα Id ίσο με το ρεύμα αναφοράς Id_ref. Το πραγματικό ρεύμα μετριέται Id και το σφάλμα Ιd- Id_ref αν είναι θετικό, αυξάνει την γωνία α του ανορθωτή. Αν το σφάλμα είναι αρνητικό, το α μειώνεται. Το ρεύμα Id και η γωνία α είναι αντιστρόφως ανάλογα. Ένας ελεγκτής ρεύματος με πολύ μεγάλο κέρδος προκαλεί μια σχεδόν κατακόρυφη χαρακτηριστική. Στο σημείο 1, το σύστημα λειτουργεί κανονικά. Σε περίπτωση μιας σοβαρής απρόβλεπτης διαταραχής που παράγει μια πτώση τάσης στο ac σύστημα 1, το σημείο λειτουργίας κινείται προς το σημείο 2. Ο ανορθωτής αναγκάζεται να μεταβεί σε μια κατάσταση λειτουργίας ελάχιστης γωνίας α (mode=4), ενώ ο αντιστροφέας να βρίσκεται σε μια κατάσταση λειτουργίας ελέγχου ρεύματος (mode=1). Ομοίως, μια πτώση τάσης στο ac σύστημα 2 θα αναγκάσει τον αντιστροφέα να βρίσκεται σε μια κατάσταση λειτουργίας ελάχιστης γωνίας σβέσης γ (mode=6). Κατά τη διάρκεια της σοβαρής διαταραχής, για να πετύχει στο σύστημα μια ταχύτερη απόκριση είναι απαραίτητο να αυξηθεί το περιθώριο μεταγωγής και συνεπώς να μειωθεί η πιθανότητα αποτυχίας μεταγωγής. Το υποσύστημα ελέγχου «Αποτυχίας Μεταγωγής», το οποίο ανήκει στο μπλοκ «Προστασία και Έλεγχος του Αντιστροφέα», παράγει ένα σήμα που μειώνει το ανώτατο όριο της γωνίας έναυσης κατά την πτώση τάσης (παραδείγματος χάρην κατά τη διάρκεια ενός ac σφάλματος). Η ροή ισχύος ανάμεσα στους 2 τερματικούς σταθμούς μπορεί να ελεγχθεί ελέγχοντας το Id και διατηρώντας την τάση της γραμμής μεταφοράς σε όσο το δυνατόν υψηλότερα επίπεδα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες της γραμμής μεταφοράς. Αυτό το είδος ελέγχου προκαλεί μια μικρή γωνία α στον ανορθωτή και μια μικρή γωνία στον αντιστροφέα, ελαχιστοποιώντας έτσι την απαίτηση για άεργη ισχύ και στον ανορθωτή και στον αντιστροφέα. Η αντιστροφή της ροής ισχύος μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας το ρεύμα αναφοράς του αντιστροφέα υψηλότερα από αυτό του ανορθωτή, επιτυγχάνοντας την αντιστροφή της πολικότητας των dc τάσεων και στα 2 τερματικά. [21] 108

110 6.2.5 Ανάλυση κυματομορφών Συγκεκριμένα, έχουν οριστεί τα παρακάτω χρονικά διαστήματα: : Κατά την εκκίνηση, οι δύο μετατροπείς είναι εκτός λειτουργίας (mode=0 και για τους δυο μετατροπείς). : Τη χρονική στιγμή 0.2sec το ρεύμα αυξάνεται με αναφορά ράμπας με κλίση pu/sec μέχρι το ελάχιστο ρεύμα αναφοράς οριζόμενο 0.1pu. Παρατηρούμε, πως καθώς αυξάνεται το ρεύμα, η dc γραμμή φορτίζεται στην ονομαστική τιμή της τάσης (στο σχήμα 6.10i) 1pu (500kV). Σε αυτό το διάστημα, τόσο ο αντιστροφέας όσο και ο ανορθωτής ελέγχουν το dc ρεύμα αναφοράς (mode=1 και για τους δυο μετατροπείς). Η κατάσταση λειτουργίας του αντιστροφέα αλλάζει σε λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης (mode=6), το χρονικό διάστημα sec. Το υπόλοιπο χρονικό διάστημα ο αντιστροφέας μεταβαίνει σε κατάσταση λειτουργιάς ελέγχου τάσης (mode=2). : Μετά τη σταθεροποίηση του συστήματος, τη χρονική στιγμή 0.4sec το ρεύμα αυξάνεται με αναφορά ράμπας με κλίση 5 pu/sec στη τελική του τιμή 1pu (2kA). Σε αυτό το χρονικό διάστημα, ο ανορθωτής είναι σε κατάσταση λειτουργίας ρεύματος (mode=1), εκτός από το χρονικό διάστημα sec όπου μεταβαίνει σε κατάσταση λειτουργίας ελάχιστης γωνίας α (mode=3). Το γεγονός αυτό συμβαίνει καθώς τη χρονική στιγμή, t=0.54sec, το ρεύμα Id δεν έχει «πιάσει» την τιμή της αναφοράς. Για την αύξηση του ρεύματος Id απαιτείται περαιτέρω μείωση της γωνιάς έναυσης, γεγονός όμως που δεν μπορεί να συμβεί καθώς η γωνιάς έναυσης έχει την ελάχιστη τιμή της. Ο αντιστροφέας είναι σε κατάσταση λειτουργίας ελέγχου τάσης (mode= 2) μέχρι τη χρονική στιγμή t=0.68sec. Το υπόλοιπο χρονικό διάστημα μεταβαίνει σε κατάσταση λειτουργίας ελάχιστης γωνίας γ (mode=6). Τη χρονική στιγμή 1.4sec, το ρεύμα μειώνεται με αναφορά ράμπας με κλίση -5 pu/sec στο ελάχιστο ρεύμα αναφοράς 0.1pu. Και οι δύο μετατροπείς διατηρούν την κατάσταση λειτουργίας τους (mode=1 για τον ανορθωτή και mode=6 για τον αντιστροφέα). Τη χρονική στιγμή 1.6sec, το ρεύμα μειώνεται με αναφορά ράμπας με κλίση pu/sec μέχρι τη θέση 0 (εκτός λειτουργίας). Το χρονικό διάστημα sec, ο ανορθωτής είναι σε κατάσταση λειτουργίας εξαναγκασμένης γωνίας α=166 ο (mode=5) αναγκάζοντας την εξάλειψη του ρεύματος αναφοράς, ενώ ο αντιστροφέας στην ίδια κατάσταση λειτουργίας (mode=5) μειώνει τη dc τάση που υπάρχει λόγω της παγιδευμένης φόρτισης των χωρητικοτήτων της γραμμής. Στο t = 1.7s, οι παλμοί έχουν μπλοκαριστεί και στους δύο μετατροπείς (mode=0). Σύγκριση Θεωρητικών Αποτελεσμάτων και Αποτελεσμάτων μέσω SIMULINK Θεωρητικά Αποτελέσματα Στην στάσιμη κατάσταση, η μέση DC τάση μιας 12-παλμικής γέφυρας αγνοώντας τις ωμικές απώλειες του μετασχηματιστή και των θυρίστορ, υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: 109

111 Όπου: η φασική RMS τιμή της τάσης μεταγωγής, η οποία εξαρτάται από την τάση του AC συστήματος και το λόγο του μετασχηματιστή η ισοδύναμη αντίσταση μεταγωγής η αντίδραση μεταγωγής ή η αντίδραση του μετασχηματιστή από την πλευρά των θυρίστορ Στη στάσιμη κατάσταση, όταν το ρεύμα αναφοράς έχει πιάσει 1pu, τότε η dc τάση έχει τιμή 0.935pu. Οπότε: Αποτελέσματα μέσω SIMULINK Η αναμενόμενη dc τάση στον αντιστροφέα συν τη πτώση τάση στη γραμμή και στην αντίσταση της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης του ανορθωτή συμπίπτει με τη παραπάνω θεωρητική. Συνεπώς: ( ) 110

112 6.2.6 Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Από την ανάλυση αρμονικών της τάσης και του ρεύματος της φάσης a στους μετατροπείς προκύπτουν τα παρακάτω διαγράμματα, μέσω του Powergui FFT Analysis tool. Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών 111

113 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (VΒinv) στο Binv και τάξη αρμονικών Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών 112

114 Τάξη Αρμονικών I Βrect I Βinv ΙΕΕΕ 519 Std n=11 3.7% 6.63% 1.4% n= % 4.84% 1.4% n= % 0.305% 0.42% n= % 0.396% 0.42% n= % 0.519% 0.21% n= % 0.473% 0.21% THD 4.60% 8.35% 2.5% Πίνακας 6 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Τάξη Αρμονικών V Βrect V Βinv ΙΕΕΕ 519 Std n= % 6.43% 1% n= % 5.49% 1% n= % 0.613% 1% n= % 0.909% 1% n= % 1.66% 1% n= % 1.56% 1% THD 13.05% 9.17% 1.5% Πίνακας 7 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Παρατηρούμε, πως τα αποτελέσματα είναι εκτός των επιτρεπτών ορίων, γεγονός που αναδεικνύει την απαίτηση για την χρησιμοποίηση αρμονικών φίλτρων. Tα επιτρεπτά όρια προέκυψαν από τους πίνακες 1, 2 και 3 του κεφαλαίου 4. Στη συγκεκριμένη προσομοίωση, η ισχύς βραχυκύκλωσης, το ρεύμα βραχυκύκλωσης, το ονομαστικό ρεύμα και ο λόγος I SC /I L για το κάθε σύστημα είναι: 113

115 Για το ac σύστημα 1: Για το ac σύστημα 2: 6.3 Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Α Τα φίλτρα που θα χρησιμοποιηθούν είναι: Μονοσυντονισμένα Φίλτρα (single tuned filters) για την αποκοπή των αρμονικών της 11 ης, 13 ης τάξης. Υψιπερατό Φίλτρο για τον περιορισμό των υπόλοιπων αρμονικών ανώτερης τάξης, συντονισμένο στην 24 η αρμονική Σχεδιασμός Φίλτρων Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι μετατροπείς καταναλώνουν μεγάλα ποσά άεργου ισχύος. Στην παρούσα προσομοίωση, η γωνία έναυσης είναι ίση με 9 ο, ενώ η γωνία σβέσης είναι ίση με 18 ο. Από τις σχέσεις του κεφαλαίου 5.2 προκύπτουν η pu τιμές των απαιτούμενων άεργων ισχύος (τα μεγέθη είναι σε μικρά γράμματα εφόσον εκφράζουν τιμές pu): 114

116 Για μεταφορά 1000MW προκύπτουν οι εν λόγω ισχείς: Τα φίλτρα επιλέγονται να παρέχουν συνολικά 450MVAr στη θεμελιώδη συχνότητα και την υπόλοιπη άεργο ισχύ θα τοποθετηθούν πυκνωτές αντιστάθμισης 150MVAr. Λόγω συμμετρίας του κυκλώματος, τα συνολικά 600MVAr με την ίδια διάταξη θα τοποθετηθούν εκατέρωθεν των δυο ac συστημάτων Σχεδίαση ac μονοσυντονιζόμενων φίλτρων Συνοπτικά, όπως έχει αναλυθεί στο προηγούμενο κεφάλαιο, ένα μονοσυντονιζόμενο φίλτρο κατασκευαστικά είναι ένας πυκνωτής σε σειρά με ένα πηνίο και μία αντίσταση. Μεταξύ αυτών των δύο προκύπτει συντονισμός σε μια ορισμένη συχνότητα στην οποία. [27] Η επιλογή του μεγέθους του πυκνωτή που χρειαζόμαστε σε MVAr, έγινε όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Θα χρησιμοποιηθούν δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα, συντονισμένα στην 11 η και 13 η αρμονική. Ο βαθμός ποιότητας τους ορίστηκε ίσος με, καθώς από την βιβλιογραφία τυπικές τιμές για αυτού το είδους τα φίλτρα είναι και μέσα από δοκιμές διαδικασίας, δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφορές, κρίνοντας αυτήν τιμή σχετικά καλύτερη. Το simulink παρέχει στη βιβλιοθήκη του έτοιμο το μοντέλο ενός μονοσυντονιζόμενου φίλτρου. Παρακάτω φαίνονται πως απεικονίζονται τα δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα του ac συστήματος 1. Τα δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα του ac συστήματος 2 είναι ίδια, εκτός από το γεγονός πως συντονίζονται για αρμονικές τάξεων πολλαπλάσιες των 50Hz αντί των 60Ηz, στην οποία είναι συντονισμένα τα φίλτρα του ac συστήματος 1. Σχήμα Μονοσυντονιζόμενα φίλτρα στο SIMULINK Στο παράθυρο έλεγχου των παραμέτρων εισάγουμε τα δεδομένα. Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά το παράθυρο ελέγχου για το μονοσυντονιζόμενο φίλτρο 11 ης αρμονικής. Όμοια, με τις εκάστοτε διαφορές είναι και τα υπόλοιπα μονοσυντονιζόμενα φίλτρα του ac συστήματος

117 Σχήμα Παράθυρο έλεγχου μονοσυντονιζόμενων φίλτρων Σχεδίαση ac υψιπερατών φίλτρων Το υψιπερατό φίλτρο είναι ένα μονοσυντονιζόμενο φίλτρο, όπου τα στοιχεία L και R συνδέονται παράλληλα αντί σε σειρά. Αυτή η σύνδεση οδηγεί σε ένα φίλτρο ευρείας ζώνης, που έχει μία σύνθετη αντίσταση στις υψηλές συχνότητες η οποία περιορίζεται από την αντίσταση R. Η επιλογή του μεγέθους του πυκνωτή που χρειαζόμαστε σε MVAr, έγινε όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Θα είναι συντονισμένο στην 24 η αρμονική, για την αποκοπή της 23 ης και 25 ης αρμονικής. Ο βαθμός ποιότητας του ορίστηκε ίσος με, καθώς από την βιβλιογραφία τυπικές τιμές για αυτού το είδους τα φίλτρα είναι και μέσα από δοκιμές διαδικασίας, δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφορές, κρίνοντας αυτήν τιμή σχετικά καλύτερη. Το simulink παρέχει στη βιβλιοθήκη του έτοιμο το μοντέλο ενός υψιπερατού φίλτρου. Παρακάτω φαίνονται πως απεικονίζεται. 116

118 Σχήμα Υψιπερατό Φίλτρο στο SIMULINK Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά το παράθυρο ελέγχου. Σχήμα Παράθυρο έλεγχου υψιπερατού φίλτρου 117

119 6.3.4 Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Μέσω του εργαλείου «Powergui Impedance vs Frequency Measurement Tool» του MATLAB/SIMULINK λαμβάνουμε τα παρακάτω διαγράμματα απόκρισης συχνότητας. Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο Α Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο Α Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο Α 118

120 6.3.5 Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect-Σενάριο Α 119

121 Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode- Σενάριο Α Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο Α 120

122 Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο Α Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv-Σενάριο Α 121

123 6.3.6 Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Από την ανάλυση αρμονικών της τάσης και του ρεύματος της φάσης a στους μετατροπείς προκύπτουν τα παρακάτω διαγράμματα, μέσω του Powergui FFT Analysis tool. Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α 122

124 Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α 123

125 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο Α Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Α 124

126 Τάξη Αρμονικών I Βrect I PCC1 I Βinv I PCC2 ΙΕΕΕ 519 Std n= % % 7.59% % 1.4% n= % % 5.43% % 1.4% n= % % 0.133% 0.04% 0.75% n= % 0.121% 0.522% % 0.56% n= % % 0.248% 0.02% 0.56% n= % % % 0.006% 0.56% n= % % 0.811% % 0.42% n= % % 0.575% % 0.42% n= % % % 0.003% 0.22% n= % % % 0.003% 0.22% n= % % 0.19% % 0.22% n= % 0.016% 0.03% 0.006% 0.22% n= % % 0.592% % 0.21% n= % % 0.545% % 0.21% THD 8.62% 1.12% 9.50% 2.00% 2.5% Πίνακας 8 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο Α» Τάξη Αρμονικών V Βrect V Βinv ΙΕΕΕ 519 Std n= % % 1% n= % % 1% n= % % 1% n= % % 1% THD 0.82% 0.78% 1.5% Πίνακας 9 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο Α» 125

127 6.3.7 Συμπέρασμα Από τη θεωρία γνωρίζουμε πως οι δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς παράγουν ιδανικά μόνο αρμονικές ρεύματος της τάξεως ίση με 12k+1 στην AC πλευρά, όπου k είναι ακέραιος. Παρατηρούμε, πως οι κύριες αρμονικές τάσης μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα. Ενώ καλύπτονται πλήρως τα επιτρεπτά όρια. Επίσης, παρατηρούμε πως οι κύριες αρμονικές ρεύματος μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα όπως και οι δείκτες THD. Ενώ, οι μη χαρακτηριστικές αρμονικές και οι interharmonics που υφίστανται είναι κάτω του επιτρεπτού ορίου 1.5%. Το ac σύστημα 1 παρουσιάζει ελάχιστη σύνθετη αντίσταση στις συχνότητες 660Hz και 780Hz, ενώ το ac σύστημα 2 παρουσιάζει ελάχιστη σύνθετη αντίσταση στις συχνότητες 550Hz και 650Hz. Αυτοί οι συντονισμοί σειράς δημιουργούνται από τα ac φίλτρα συντονισμού 11 ης και 13 ης αρμονικής. Η σύνδεση των ac φίλτρων στα επαγωγικά ac συστήματα δημιουργούν επίσης παράλληλους συντονισμούς (μέγιστη σύνθετη αντίσταση), στην συχνότητα 188Hz στο ac σύστημα 1 και στην συχνότητα 222Hz στο ac σύστημα 2. Οι παράλληλοι συντονισμοί στα ac συστήματα ιδιαίτερα στα αδύναμα συστήματα που έχουν υψηλή σύνθετη αντίσταση, συμβαίνουν πολύ κοντά στην 2η αρμονική και μπορεί να προκαλέσουν έντονες καταπονήσεις στον εξοπλισμό του μετατροπέα και στα ac φίλτρα σε περιπτώσεις ορισμένων διαταραχών. [21] 126

128 6.4 Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Β Τα φίλτρα που θα χρησιμοποιηθούν είναι: Διπλοσυντονισμένο Φίλτρο (double tuned filters) για την αποκοπή των αρμονικών της 11 ης, 13 ης τάξης. Υψιπερατό φίλτρο για τον περιορισμό των υπόλοιπων αρμονικών ανώτερης τάξης, συντονισμένο στην 24 η αρμονική Σχεδιασμός Φίλτρων Όπως αναφέρθηκε στο υποκεφάλαιο 6.3.1, η συνολική παρεχόμενη άεργος ισχύς ανέρχεται στα 600MVAr, συμμετρικά τοποθετημένα εκατέρωθεν των δυο ac συστημάτων. Στο παρών σενάριο, έχουμε την ύπαρξη δύο φίλτρων με συνολική παροχή άεργου ισχύος 300MVAr. Το καθένα παρέχει 150MVAr. Η υπόλοιπη άεργος ισχύς των 300MVAr παρέχεται από πυκνωτές αντιστάθμισης Σχεδίαση ac διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου Το διπλοσυντονιζόμενο φίλτρο εκτελεί την ίδια λειτουργία με δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα, αν και έχει ορισμένα πλεονεκτήματα: οι απώλειες του είναι πολύ χαμηλότερες και πως με την απαίτηση ενός φίλτρου επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χώρου και διακοπτών προστασίας και χειρισμού. Το διπλοσυντονιζόμενο φίλτρου αποτελείται από ένα κύκλωμα σε σειρά και ένα παράλληλο κύκλωμα. Εάν και οι δύο συχνότητες συντονισμού, τόσο το κύκλωμα σε σειρά όσο και το παράλληλο κύκλωμα είναι συντονισμένα περίπου στην γεωμετρικά μέση συχνότητα. Το μέγεθος του πυκνωτή ανέρχεται στα συντονισμού είναι: σε MVAr. Οι δύο συχνότητες Όπου: η θεμελιώδης συχνότητα, 60Hz για το ac σύστημα 1 και 50Hz για το ac σύστημα 2. Ο βαθμός ποιότητας του φίλτρου ορίστηκε ίσος με. Το simulink παρέχει στη βιβλιοθήκη του έτοιμο το μοντέλο ενός διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου. Παρακάτω φαίνεται πως απεικονίζεται το εν λόγω φίλτρο. Σχήμα Διπλοσυντονιζόμενο φίλτρο στο SIMULINK 127

129 Στο παράθυρο έλεγχου των παραμέτρων εισάγουμε τα δεδομένα. Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά το παράθυρο ελέγχου για το διπλοσυντονιζόμενο φίλτρο 11 ης και 13 ης αρμονικής. Όμοια, με την διαφορά πως είναι συντονισμένο για τη θεμελιώδη συχνότητα των 50Hz είναι και το αντίστοιχο διπλοσυντονιζόμενο φίλτρα του ac συστήματος 2. Σχήμα Παράθυρο έλεγχου διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου Σχεδίαση ac υψιπερατού φίλτρου Η σχεδίαση του υψιπερατού φίλτρου είναι ίδια εκείνη που ακολουθήθηκε στο υποκεφάλαιο

130 6.4.4 Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Μέσω του εργαλείου «Powergui Impedance vs Frequency Measurement Tool» του MATLAB/SIMULINK λαμβάνουμε τα παρακάτω διαγράμματα απόκρισης συχνότητας. Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο B Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο B Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο B 129

131 6.4.5 Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect-Σενάριο B 130

132 Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode-σενάριο B Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο B 131

133 Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο B Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv-Σενάριο B 132

134 6.4.6 Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Από την ανάλυση αρμονικών της τάσης και του ρεύματος της φάσης a στους μετατροπείς προκύπτουν τα παρακάτω διαγράμματα, μέσω του Powergui FFT Analysis tool. Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο B 133

135 Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών-σενάριο B 134

136 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο B Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο B 135

137 Τάξη Αρμονικών I Βrect I PCC1 I Βinv I PCC2 ΙΕΕΕ 519 Std n= % 0.106% 7.47% 0.07% 1.4% n= % % 5.51% 0.03% 1.4% n= % % 0.259% 0.125% 0.75% n= % % 0.212% 0.024% 0.56% n= % % 0.132% 0.011% 0.56% n= % % 0.121% 0.004% 0.56% n= % % 0.774% 0.035% 0.42% n= % % 0.58% 0.031% 0.42% n= % 0.001% % % 0.22% n= % 0.01% 0.022% % 0.22% n= % 0.009% % % 0.22% n= % 0.009% % 0.004% 0.22% n= % 0.02% 0.577% % 0.21% n= % 0.007% 0.572% 0.075% 0.21% THD 8.61% 0.93% 9.48% 2.34% 2.5% Πίνακας 10 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο B» Τάξη Αρμονικών V Βrect V Βinv ΙΕΕΕ 519 Std n= % % 1% n= % 0.027% 1% n= % % 1% n= % % 1% THD 0.71% 0.89% 1.5% Πίνακας 11 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο B» 136

138 6.4.7 Συμπέρασμα Οι κύριες αρμονικές τάσης μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα. Ενώ καλύπτονται πλήρως τα επιτρεπτά όρια. Επίσης, παρατηρούμε πως οι κύριες αρμονικές ρεύματος μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα όπως και οι δείκτες THD. Ενώ, οι μη χαρακτηριστικές αρμονικές και οι interharmonics που υφίστανται είναι κάτω του επιτρεπτού ορίου 1.5%, εκτός από την 5 η αρμονική του ρεύματος I PCC2, η οποία έχει οριακή τιμή 1.96%. Το ac σύστημα 1 παρουσιάζει ελάχιστη σύνθετη αντίσταση στις συχνότητες 660Hz και 780Hz, ενώ το ac σύστημα 2 παρουσιάζει ελάχιστη σύνθετη αντίσταση στις συχνότητες 550Hz και 650Hz. Αυτοί οι συντονισμοί σειράς δημιουργούνται από τα ac φίλτρα συντονισμού 11 ης και 13 ης αρμονικής. Η σύνδεση των ac φίλτρων στα επαγωγικά ac συστήματα δημιουργούν επίσης παράλληλους συντονισμούς (μέγιστη σύνθετη αντίσταση), στην συχνότητα 190Hz στο ac σύστημα 1 και στην συχνότητα 226Hz στο ac σύστημα Προσομοίωση με ac Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Γ Τα φίλτρα που θα χρησιμοποιηθούν είναι: Υψιπερατό φίλτρο για τον περιορισμό των αρμονικών 11 ης, 13 ης τάξης συντονισμένο στην 12 η αρμονική. Υψιπερατό φίλτρο για τον περιορισμό των υπόλοιπων αρμονικών ανώτερης τάξης, συντονισμένο στην 24 η αρμονική Σχεδιασμός Φίλτρων Όπως αναφέρθηκε στο υποκεφάλαιο 6.5.1, η συνολική παρεχόμενη άεργος ισχύς ανέρχεται στα 600MVAr, συμμετρικά τοποθετημένα εκατέρωθεν των δυο ac συστημάτων. Στο παρών σενάριο, έχουμε την ύπαρξη δύο φίλτρων με συνολική παροχή άεργου ισχύος 300MVAr. Το καθένα παρέχει 150MVAr. Η υπόλοιπη άεργος ισχύς των 300MVAr παρέχεται από πυκνωτές αντιστάθμισης Σχεδίαση ac υψιπερατού φίλτρου Η σχεδίαση του υψιπερατού φίλτρου είναι ίδια εκείνη που ακολουθήθηκε στο υποκεφάλαιο

139 6.5.3 Απόκριση Συχνότητας Σύνθετης Αντίστασης Μέσω του εργαλείου «Powergui Impedance vs Frequency Measurement Tool» του MATLAB/SIMULINK λαμβάνουμε τα παρακάτω διαγράμματα απόκρισης συχνότητας. Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 1- Σενάριο Γ Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση του ac συστήματος 2- Σενάριο Γ Σχήμα Σύνθετη Αντίσταση dc γραμμής- Σενάριο Γ 138

140 6.5.5 Διαγράμματα τάσης και ρεύματος Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC1- Σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του ανορθωτή στο Brect-Σενάριο Γ 139

141 Σχήμα Διαγράμματα Ανορθωτή i)vdl(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode-σενάριο Γ Σχήμα Διαγράμματα Αντιστροφέα i)vdl, Vd_ref(pu) ii) Id, Idref (pu) iii) alpha_ord (deg) iv)mode v) gamma_mean, gamma_ref (deg)-σενάριο Γ 140

142 Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στο PCC2- Σενάριο Γ Σχήμα Διάγραμμα τάσης και ρεύματος στην αc πλευρά του αντιστροφέα στο Binv-Σενάριο Γ 141

143 6.5.4 Αρμονικές ρεύματος και τάσης ac συστημάτων Από την ανάλυση αρμονικών της τάσης και του ρεύματος της φάσης a στους μετατροπείς προκύπτουν τα παρακάτω διαγράμματα, μέσω του Powergui FFT Analysis tool. Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών- Σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC1 ) στο PCC1 και τάξη αρμονικών- Σενάριο Γ 142

144 Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (Ι Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac ρεύματος (I PCC2 ) στο PCC2 και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ 143

145 Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βrect ) στο Brect και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ Σχήμα Κυματομορφή ac τάσης (V Βinv ) στο Binv και τάξη αρμονικών-σενάριο Γ 144

146 Τάξη Αρμονικών I Βrect I PCC1 I Βinv I PCC2 ΙΕΕΕ 519 Std n= % 0.53% 7.57% 1.27% 1.4% n= % 0.371% 5.56% 0.9% 1.4% n= % 0.011% % 0.04% 0.75% n= % % 0.22% 0.041% 0.56% n= % 0.006% 0.157% 0.025% 0.56% n= % 0.006% 0.078% 0.014% 0.56% n= % 0.008% 0.774% 0.039% 0.42% n= % 0.008% 0.935% 0.025% 0.42% n= % 0.005% % 0.009% 0.22% n= % 0.004% % 0.007% 0.22% n= % 0.003% % 0.007% 0.22% n= % 0.003% % 0.007% 0.22% n= % 0.018% 0.534% 0.034% 0.21% n= % 0.009% 0.539% 0.032% 0.21% THD 8.81% 2.00% 9.61% 2.56% 2.5% Πίνακας 12 «Αρμονική παραμόρφωση ρεύματος στην προσομοίωση Σενάριο Γ» Τάξη Αρμονικών V Βrect V Βinv ΙΕΕΕ 519 Std n= % 0.991% 1% n= % 0.847% 1% n= % % 1% n= % % 1% THD 1.74% 1.48% 1.5% Πίνακας 13 «Αρμονική παραμόρφωση τάσης στην προσομοίωση Σενάριο Γ» 145

147 6.5.5 Συμπέρασμα Ομοίως με τις προηγούμενες περιπτώσεις, οι κύριες αρμονικές τάσης μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα. Ενώ καλύπτονται πλήρως τα επιτρεπτά όρια. Επίσης, παρατηρούμε πως οι κύριες αρμονικές ρεύματος μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα όπως και οι δείκτες THD, εκτός του ρεύματος στο PCC2 που έχει οριακή τιμή 2.56%. Ενώ, οι μη χαρακτηριστικές αρμονικές και οι interharmonics που υφίστανται είναι κάτω του επιτρεπτού ορίου 1.5%, εκτός από την 5η αρμονική του ρεύματος I PCC2, η οποία έχει οριακή τιμή 1.62%. 6.6 Γενικό Συμπέρασμα Παρακάτω παρουσιάζεται συγκεντρωτικός πίνακας με τους δείκτες THD για κάθε σενάριο. Περίπτωση THDi- PCC1 THDi- PCC2 THDv- PCC1 THDv- PCC2 Χωρίς Φίλτρα 4.60% 8.35% 13.05% 9.17% Σενάριο Α 1.12% 2.00% 0.82% 0.78% Σενάριο B 0.93% 2.34% 0.71% 0.89% Σενάριο Γ 2.00% 2.56% 1.74% 1.48% ΙΕΕΕ 519 Std 2.5% 2.5% 1.5% 1.5% Πίνακας 14 «Συγκεντρωτικός Πίνακας ac φίλτρων» Τα συμπεράσματα που βγαίνουν είναι τα εξής: Σχεδόν όλα τα φίλτρα παρέχουν ικανοποιητική αντιστάθμιση αρμονικών. Χειρότερη αντιστάθμιση κρίνεται οριακά το Σενάριο Γ, με τη χρήση δύο υψιπερατών φίλτρων, γεγονός που δικαιολογείται καθώς η χρησιμοποίηση του υψιπερατού φίλτρου για την εξάλειψη των κατώτερων αρμονικών είναι λιγότερο ακριβής από τη χρησιμοποίηση συντονιζόμενων φίλτρων (μονών ή διπλών). Καλύτερη αντιστάθμιση αρμονικών παρέχει το Σενάριο Α, γεγονός που αναμένεται με τη χρησιμοποίηση δυο μονοσυντονιζόμενων φίλτρων. Η εντός των επιτρεπτών ορίων αντιστάθμιση που προσφέρει το Σενάριο Β, το κρίνει ανταγωνιστικότερο από το Σενάριο Α, καθώς η χρησιμοποίηση διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου προσφέρει λιγότερες απώλειες σε σχέση με τα δύο μονοσυντονιζόμενα φίλτρα του Σεναρίου Α, ενώ παράλληλα με τη χρησιμοποίηση ενός φίλτρου επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χώρου και διακοπτών προστασίας και χειρισμού. 146

148 Αρνητικά επιδρά στο σύστημα, το γεγονός ότι έχουμε διασύνδεση ασύγχρονων δικτύων, το ένα με 50Hz και το άλλο με 60Hz. Οι dc πλευρές των μετατροπέων συνδέονται μεταξύ τους και συνεπώς η αρμονική παραμόρφωση της τάσης που προκαλείται από τον ένα μετατροπέα επιδρά στο dc τερματικό σταθμό του άλλου μετατροπέα και αντίστροφα. Αυτές οι αρμονικές παραμορφώσεις της τάσης προκαλούν παραμόρφωση στο dc ρεύμα που κυκλοφορεί, προκαλώντας την δημιουργία αρμονικών σε κάθε μετατροπέα με συχνότητα του ac συστήματος του άλλου μετατροπέα και όχι της δικής του συχνότητας. Στο παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η βελτιωμένη απόδοση του μονοσυντονιζόμενου φίλτρου έναντι του διπλοσυντονιζόμενου στην απόσβεση των αρμονικών καθώς και τη χειρότερη επίδοση του υψιπερατού φίλτρου. Τάξη Αρμονικών I Βrect I PCC1 I Βinv I PCC2 ΙΕΕΕ 519 Std Σενάριο Α Μονοσυντονιζόμενα στην 11 η και 13 η αρμονική Σενάριο Β Διπλοσυντονιζόμενο στην 11 η και 13 η αρμονική Σενάριο Γ Υψιπερατό στην 12 η αρμονική n= % % 7.59% % 1.4% n= % % 5.43% % 1.4% n= % 0.106% 7.47% 0.07% 1.4% n= % % 5.51% 0.03% 1.4% n= % 0.53% 7.57% 1.27% 1.4% n= % 0.371% 5.56% 0.9% 1.4% Πίνακας 15 «Σύγκριση ac Φίλτρων» Παρατηρώντας, τις τιμές επιβεβαιώνεται το σημαντικό προτέρημα που θέτει η βιβλιογραφία για τα μονοσυντονιζόμενα φίλτρα έναντι των διπλοσυντονιζόμενων, καθώς τα πρώτα παρέχουν στοχευόμενη εξάλειψη της αρμονικής στην οποία είναι συντονισμένα. Η αναμενομένη μειωμένη ικανότητα απόρριψης των υψιπερατών φίλτρων σε σχέση με τα συντονιζόμενα είναι η εμφανής, καθώς τα υψιπερατά στοχεύουν στην εξάλειψη ενός εύρους αρμονικών. 147

149 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7-ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ DC ΦΙΛΤΡΩΝ ΣΕ HCDV - CSC ΣΥΣΤΗΜΑ Για την κατανόηση της επίδρασης των φίλτρων στην κυματομορφή της dc τάσης και ρεύματος θα συγκριθούν τόσο οι χαρακτηριστικές αρμονικές όσο και οι συντελεστές κυμάτωσης των κυματομορφών ένα βρίσκονται εντός των επιτρεπτών ορίων. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφαλαίο, οι χαρακτηριστικές αρμονικές στην dc πλευρά είναι της τάξης. Ο συντελεστής κυμάτωσης (ripple factor) ορίζεται η διαφορά της μέγιστης και ελάχιστης τιμής προς την μέση τιμή της dc τάσης ή του dc ρεύματος 7.1 Προσομοίωση χωρίς ac και dc φίλτρα Το κύκλωμα που προσομοιώνεται στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι εκείνο της παραγράφου 6.2. Το χρονικό διάστημα στο οποίο θα υπολογιστούν οι συντελεστές κυμάτωσης είναι εκείνο της στάσιμης κατάστασης από sec, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 7. 1 Χρονικό διάστημα προσομοίωσης DC τάσης και ρεύματος 148

150 7.1.1 Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Παρακάτω φαίνονται οι κυματομορφές με τις αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής, μέσω του Powergui FFT Analysis tool. Σχήμα 7. 2 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών Σχήμα 7. 3 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών 149

151 Ο συντελεστής κυμάτωσης της τάσης είναι: Και του ρεύματος είναι: Ενώ οι τιμές των αρμονικών σε σχέση με την dc συνιστώσα παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα: V inv I rect n= % 0.527% n= % % n= % 0.689% n= % 0.003% n= % % n= % % THD 1.36% 0.97% Πίνακας 16 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση χωρίς φίλτρα» Συμπέρασμα Η κυμάτωση της τάσης έχει ξεπεράσει το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC και οφείλεται στις χαρακτηριστικές αρμονικές (12 η ), στις μη χαρακτηριστικές αρμονικές (20 η ) αλλά καθώς και στην ύπαρξη interharmonics (0.8, 14.4). Η κυμάτωση του ρεύματος έχει ξεπεράσει το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC και οφείλεται στις χαρακτηριστικές αρμονικές (12 η ) αλλά καθώς και στην ύπαρξη interharmonics (0.8, 14.4). 150

152 7.2 Προσομοίωση με μόνο αc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Α Το κύκλωμα που προσομοιώνεται στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι εκείνο της παραγράφου Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Σχήμα 7. 4 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α Σχήμα 7. 5 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Α 151

153 Ο συντελεστής κυμάτωσης της τάσης είναι: Και του ρεύματος είναι: Ενώ οι τιμές των αρμονικών σε σχέση με την dc συνιστώσα παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα: V inv I rect n= % 0.369% n= % 0.078% n= % 0.26% n= % 0.019% n= % 0.012% n= % 0.18% n= % % THD 1.43% 0.92% Πίνακας 17 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο Α» Συμπέρασμα Η κυμάτωση της τάσης έχει ξεπεράσει το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC και οφείλεται στις χαρακτηριστικές αρμονικές (12 η ), στις μη χαρακτηριστικές αρμονικές (20 η ) αλλά καθώς και στην ύπαρξη interharmonics (3.2, 14.4, 0.561). Η κυμάτωση του ρεύματος έχει ξεπεράσει το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC και οφείλεται στις χαρακτηριστικές αρμονικές (12 η ) αλλά καθώς και στην ύπαρξη interharmonics (3.2, 14.4, 0.561). 152

154 7.3 Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Δ Σχεδίαση Φίλτρων Το παρών Σενάριο περιλαμβάνει το Σενάριο Α με τα ac παθητικά φίλτρα, καθώς και τη χρησιμοποίηση του παρακάτω dc παθητικού φίλτρου: Μονοσυντονιζόμενο Φίλτρο για την αποκοπή της 12 ης αρμονικής. Ο βαθμός ποιότητας του μονοσυντονιζόμενου φίλτρου ορίστηκε ίσος με άεργος ισχύς του φίλτρου ίση με 10MVar και η Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Σχήμα 7. 6 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Δ Σχήμα 7. 7 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Δ 153

155 Ο συντελεστής κυμάτωσης της τάσης είναι: Και του ρεύματος είναι: Ενώ οι τιμές των αρμονικών σε σχέση με την dc συνιστώσα παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα: V inv I rect n= % 0.363% n= % % n= % 0.268% n= % 0.004% n= % 0.012% n= % 0.185% n= % % THD 1.17% 0.91% Πίνακας 18 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο Δ» Συμπέρασμα Η κυμάτωση της τάσης έχει βελτιωθεί σε σχέση με την απουσία των φίλτρων (7.5% η αρχική ) αλλά ακόμα ξεπερνά το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC κυρίως στην ύπαρξη interharmonics (3.18, 14.4, 28.8). Η κυμάτωση του ρεύματος δεν παρουσιάζει μεταβολή σε σχέση με πριν, παρατηρούμε όμως σημαντικά μειωμένο το ποσοστό της 12 ης αρμονικής σε σχέση με το σενάριο χωρίς παθητικό dc φίλτρο. 154

156 7.4 Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο Ε Σχεδίαση Φίλτρων Το παρών Σενάριο περιλαμβάνει το Σενάριο Α με τα ac παθητικά φίλτρα, καθώς και τη χρησιμοποίηση του παρακάτω dc παθητικού φίλτρου: Διπλοσυντονιζόμενο Φίλτρο για την αποκοπή των αρμονικών της 12 ης, 24 ης τάξης. Ο βαθμός ποιότητας του διπλοσυντονιζόμενου φίλτρου ορίστηκε ίσος με άεργος ισχύς του φίλτρου ίση με 10MVar. και η Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Σχήμα 7. 8 Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο Ε 155 Σχήμα 7. 9 Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο Ε

157 Ο συντελεστής κυμάτωσης της τάσης είναι: Και του ρεύματος είναι: Ενώ οι τιμές των αρμονικών σε σχέση με την dc συνιστώσα παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα: V inv I rect n= % 0.408% n= % 0.325% n= % 0.001% n= % 0.012% n= % 0.261% n= % % n= % 0.195% n= % % THD 1.08% 0.90% Πίνακας 19 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο E» Συμπέρασμα Η κυμάτωση της τάσης ξεπερνά το όριο για 3%, το οποίο έχει τεθεί από τον κανονισμό IEC κυρίως στην ύπαρξη interharmonics (3.18, 9.82, 12.7). Η κυμάτωση του ρεύματος δεν παρουσιάζει μεταβολή σε σχέση με πριν, παρατηρούμε όμως σημαντικά μειωμένο το ποσοστό της 12 ης αρμονικής σε σχέση με το σενάριο χωρίς παθητικό dc φίλτρο. 156

158 7.5 Προσομοίωση με dc Παθητικά Φίλτρα Σενάριο ΣΤ Σχεδίαση Φίλτρων Το παρών Σενάριο περιλαμβάνει το Σενάριο Α με τα ac παθητικά φίλτρα, καθώς και τη χρησιμοποίηση των παρακάτω dc παθητικών φίλτρων: Διπλοσυντονιζόμενο Φίλτρο για την αποκοπή των αρμονικών της 12 ης, 24 ης τάξης. Διπλοσυντονιζόμενο Φίλτρο για την αποκοπή των αρμονικών της 14.4 ης, 28.8 ης τάξης. Υψιπερατό φίλτρο για τον περιορισμό των υπόλοιπων αρμονικών ανώτερης τάξης, συντονισμένο στην 2 η αρμονική. Ο βαθμός ποιότητας των διπλοσυντονιζόμενων φίλτρων είναι όπως και πριν με και η άεργος ισχύς του φίλτρου ίση με 10MVar. Το υψιπερατό φίλτρο έχει και άεργο ισχύ ίση με 10MVar. Επιπλέον, στο παρών σενάριο έχει αυξηθεί η αυτεπαγωγή εξομάλυνσης για τον περιορισμό των συντελεστών κυμάτωσης. Η αρχική αυτεπαγωγή εξομάλυνσης είχε τιμή Μέσω της μεθόδου «trial and error», η νέα τιμή ανέρχεται Αρμονικές ρεύματος και τάσης dc γραμμής Σχήμα Κυματομορφή dc τάσης και τάξη αρμονικών- Σενάριο ΣΤ 157

159 Σχήμα Κυματομορφή dc ρεύματος και τάξη αρμονικών- Σενάριο ΣΤ Ο συντελεστής κυμάτωσης της τάσης είναι: Και του ρεύματος είναι: Ενώ, οι τιμές των αρμονικών σε σχέση με την dc συνιστώσα παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα: V inv I rect n= % 0.474% n= % 0.096% n= % % n= % 0.144% n= % % n= % 0.115% n= % % THD 0.77% 0.71% Πίνακας 20 «DC αρμονική παραμόρφωση στην προσομοίωση Σενάριο ΣΤ» 158