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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΣΧΥΟΣ, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ακύλας Στρατηγάκος του Χρήστου Αριθμός Μητρώου: 7387 Θέμα «Σχεδίαση και ανάλυση ενοποιημένου ελεγκτή ροής ισχύος (UPFC)» Επιβλέπων Αντώνιος Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2016

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Σχεδίαση και ανάλυση ενοποιημένου ελεγκτή ροής ισχύος (UPFC)» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ακύλας X. Στρατηγάκος Αριθμός Μητρώου:7387 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 18 / 07 / 2016 Ο Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Σχεδίαση και ανάλυση ενοποιημένου ελεγκτή ροής ισχύος (UPFC)» Φοιτητής: Ακύλας Χ. Στρατηγάκος Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης.

6

7 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με τις σύγχρονες μεθόδους που χρησιμοποιούνται στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας με σκοπό την καλύτερη αξιοποίηση τους και την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους. Συγκεκριμένα θα μελετηθούν τα Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενης Τάσης, και ιδιαίτερα ο Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος, για τον οποίον θα αναλυθεί η λειτουργία του και θα σχεδιασθούν 2 στρατηγικές για τον έλεγχο του. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στα σύγχρονα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, καθώς και στα προβλήματα που εμφανίζονται σε αυτά τα τελευταία χρόνια, μαζί με αναφορά στην έννοια της ποιότητας ισχύος. Στη συνέχεια θα δούμε πως μπορεί να μεταβληθεί η ροή ισχύος ενός δικτύου, τις βασικές αρχές ελέγχου καθώς και φαινόμενα που παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία των ΣΗΕ. Στο Κεφάλαιο 2 θα μελετήσουμε πως μπορούμε να επιδράσουμε θετικά στην ικανότητα μεταφοράς ενέργειας σε ένα προϋπάρχον ΣΗΕ, μέσω διαφόρων μεθόδων αντιστάθμισης. Εν συνεχεία θα δούμε πως έχουν μεταβληθεί οι υπάρχουσες τεχνικές τα τελευταία χρόνια, αξιοποιώντας τις τεχνολογικές εξελίξεις στο τομέα των ηλεκτρονικών ισχύων. Τέλος θα γίνει εισαγωγή στα Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενης Τάσης, θα κατηγοριοποιηθούν ανάλογα τη δομή και τον έλεγχο τους, και θα παρουσιαστούν διάφορες διατάξεις καθώς και τα πλεονεκτήματα τους. Στο Κεφάλαιο 3 θα μελετήσουμε τους μετατροπείς πηγής τάσης. Αρχικά θα αναφερθούμε στα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος που αποτελούν τα δομικά τους στοιχεία καθώς και σε απλές διατάξεις που υλοποιούν. Στη συνέχεια θα μελετηθούν αναλυτικά οι τριφασικοί αντιστροφείς τάσεις, που αποτελούν το βασικό δομικό στοιχείο του Ενοποιημένου Ελεγκτή Ροής Ισχύος, θα παρουσιαστούν οι αρχές λειτουργίας τους, καθώς και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση τους και για τον σχεδιασμό του ελέγχου τους. Στο Κεφάλαιο 4 αντικείμενο μελέτης είναι ο Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος. Αφού δούμε τη δομή, τις αρχές λειτουργίας του και τις διάφορες δυνατότητες που προσφέρει, θα σχεδιάσουμε τον έλεγχο εφαρμόζοντας τις τεχνικές που αναφέρονται στο 3 ο Κεφάλαιο. Θα σχεδιασθούν δυο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου που επιτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Τέλος στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η προσομοίωση σε πρόγραμμα Matlab/Simulink κάθε στρατηγικής που σχεδιάστηκε στο 4 ο Κεφάλαιο, ώστε να αποδειχθεί η λειτουργία της και τα πλεονεκτήματα που προσφέρει. Θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μαζί με σύντομο σχολιασμό και συμπεράσματα Λέξεις κλειδιά: Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς, Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος, PI ελεγκτές, Μετατροπείς πηγής τάσης, μοντελοποίηση, προσομοίωση. Abstract The thesis that follows concerns the current processes which are used at Electric Power Systems for improvement of their efficiency. Flexible AC transmission systems will be discussed, and specifically the Unified Power Flow Controller and it s operation and 2 control strategies will be discussed.

8 In Chapter 1 there is an introduction to the Electrical Power Systems and their terminology, as well as the problems that are present today. Next the power flow through a transmission line and the various effects that influence it are analyzed. In Chapter 2 the various techniques that affect positively the modern Electric Power Systems are analyzed. In addition there is an introduction to the Flexible AC Transmission systems and the modern technology that they incorporate. In Chapter 3 the modern technology in the field of power electronics is presented as well as the various circuits they implement. Furthermore the 3-phase DC/AC inverter, which is the building block for the Unified Power Flow Controller, is examined thoroughly, the mathematical techniques used for it s analysis will be presented, as well as the design for a control system. In Chapter 4 we analyze in depth the principle of operation for the Unified Power Flow Controller along with the various modes of operations that it offers. Furthermore 2 controllers for the Unified Power Flow Controller are designed, each one implementing a different mode of operation. Finally in Chapter 5 the simulation results for the controllers that were designed in the previous chapter are being presented, along with a brief commentary and a few conclusions. Key words: Flexible AC Transmission Systems, FACTS, Unified Power Flow Controller, UPFC, PI controllers, Voltage Source Inverters, simulation.

9 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή και επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντας μου τη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, καθώς και για την καθοδήγηση του κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της εργασίας. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω την διδακτορική φοιτήτρια Δέσποινα Μακρυγιώργου για την υπομονή και την σημαντική βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της εργασίας με τις συμβουλές και υποδείξεις της. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την στήριξη της όλα αυτά τα χρόνια, ηθική και οικονομική, που μου προσέφερε μέχρι την περάτωση των σπουδών μου. Τέλος ευχαριστώ τους φίλους που με στήριξαν και με βοήθησαν κατά την διάρκεια των σπουδών μου.

10

11 Πίνακας περιεχομένων 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το ηλεκτρικό δίκτυο Το πρόβλημα της ηλεκτρικής ενέργειας Η ποιότητα ισχύος στα ΣΗΕ Βυθίσεις τάσης Διακοπές ισχύος Υπερτάσεις Flicker Ασυμμετρία φάσεων Αρμονικές Βασικές αρχές ελέγχου ροής ισχύος Το απλό μοντέλο 2 μηχανών Ευστάθεια Σημασία ελέγχου άεργου ισχύος Εξάρτηση της τάσης των ζυγών από την άεργο ισχύ Αστάθεια τάσης Ρύθμιση μεταφερόμενης ισχύς και FACTS ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ FACTS Κλασσικές μέθοδοι αντιστάθμισης Σειριακή αντιστάθμιση Εγκάρσια αντιστάθμιση Ρύθμιση Φασικής γωνίας Ανεπάρκεια κλασσικών μεθόδων Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου ρεύματος (FACTS) FACTS ελεγχόμενα από θυρίστορ Επαγωγές ή χωρητικότητες ελεγχόμενες από θυρίστορ Εγκάρσια αντιστάθμιση- Στατικός Αντισταθμιστής Άεργου Ισχύος (SVC) Σειριακή Αντιστάθμιση-Πυκνωτής σειράς ελεγχόμενος με θυρίστορ (TCSC) Ρύθμιση Φασικής Γωνίας... 42

12 2.5 FACTS ελεγχόμενα από μετατροπείς ισχύος Εγκάρσια αντιστάθμιση-στατικός Σύγχρονος Αντισταθμιστής (STATCOM) Σειριακή αντιστάθμιση-στατικός Σύγχρονος Σειριακός Αντισταθμιστής (SSSC) Ρύθμιση Φασικής Γωνίας-Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος (UPFC) ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ Εισαγωγή Μετατροπείς Ημιαγωγικά στοιχεία Βασικά κυκλώματα αντιστροφέων Μονοφασικός αντιστροφέας Τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος μέσω τετραγωνικών παλμών Ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών Στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς-μετασχηματισμός Park Συγχρονισμός μέσω PLL Δομή και μοντελοποίηση τριφασικού μετατροπέα Μοντελοποίηση στην πλευρά του δικτύου Point of Common Connection Έλεγχος αντιστροφέα ΕΝΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (UPFC) Εισαγωγή Δομή και αρχές λειτουργίας Μεταφορά ισχύος μέσω του UPFC Μοντελοποίηση Σχεδιασμός ελέγχου του UPFC Σχεδιασμός ελέγχου σειριακού μετατροπέα για ρύθμιση τάσεως Σχεδιασμός ελέγχου εγκάρσιου μετατροπέα Σχεδιασμός ελέγχου ροής ισχύος ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Προσομοίωση ελεγκτή ρύθμισης τάσης Προσομοίωση ελεγκτή ροής ισχύος Παρατηρήσεις και συμπεράσματα Μελλοντικές τάσεις και προοπτικές Βιβλιογραφία

13

14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1Το ηλεκτρικό δίκτυο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) ορίζεται ως το σύνολο των εγκαταστάσεων (γεννήτριες, μετασχηματιστές, γραμμές μεταφοράς, διακόπτες, διατάξεις αντιστάθμισης) που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα σύνολο καταναλωτών. Βασικά στοιχεία ενός ΣΗΕ είναι τα εξής: Σταθμοί παραγωγής, εγκατεστημένοι στις πρόσφορες προς τούτο περιοχές, όπου παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια σε επαρκείς ποσότητες. Γραμμές μεταφοράς, που μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στους καταναλωτές. Δίκτυο διανομής, για τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στους επιμέρους καταναλωτές, ώστε να χρησιμοποιηθεί από αυτούς σε πιο εξυπηρετικές μορφές, όπως θερμότητα, φως κ.λ.π. Το πρώτο ΣΗΕ εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στην πόλη της Νέας Υόρκης το 1882 και ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος (dc) αποτελούμενο από μια ατμομηχανή, μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος και 59 καταναλωτές σε μια περιoχή ακτίνας 1,5 km. Παρόμοια συστήματα άρχισαν να εμφανίζονται σε πολλές μεγαλουπόλεις, ενώ σταδιακά τα συστήματα συνεχούς ρεύματος αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα σύγχρονα ΣΗΕ είναι υψηλής πολυπλοκότητας και αποτελούνται από εκατοντάδες γεννήτριες και χιλιάδες ζυγούς, τροφοδωτόντας χιλιάδες καταναλωτές, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα αξιοπιστία και ασφάλεια στην τροφοδοσία. Το ελληνικό ηλεκτρικό σύστημα χαρακτηρίζεται από τη σχετική απομόνωση της θέσης του από τα άλλα ευρωπαϊκά συστήματα, την οξεία αύξηση κατανάλωσης τα τελευταία χρόνια, την ύπαρξη μεγάλου αριθμού μικρών καταναλωτών στα νησιά και την καθοριστική εξάρτηση από το λιγνίτη. 1

16 Σχήμα 1.1:Ελληνικό δίκτυο µεταφοράς, διασυνδέσεις του µε γειτονικές χώρες και θέσεις θερµο- και υδροηλεκτρικών σταθµών. [32] Στην Ελλάδα το αποκλειστικό δικαίωμα της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έχει εκχωρηθεί από το 1950 στη Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού (ΔΕΗ). Το δίκτυο 2

17 μεταφοράς λειτουργεί υπό τάσεις 400kV, 150 kv και 66kV. Σπονδυλική στήλη του διασυνδεδεμένου συστήματος μεταφοράς αποτελούν οι 3 γραμμές διπλού κυκλώματος των 400kV, που μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια κυρίως από το σπουδαιότερο για τη χώρα ενεργειακό κέντρο παραγωγής της Δυτικής Μακεδονίας. Στη περιοχή αυτή, παράγεται περίπου το 70% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής της χώρας που στη συνέχεια μεταφέρεται στα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης της Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας, που καταναλώνεται περίπου το 65% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τις γεννήτριες. Το διασυνδεδεμένο σύστημα μεταφοράς περιλαμβάνει επίσης εναέριες και υπόγειες γραμμές των 150 kv και υποβρύχια καλώδια των 150 kv που συνδέουν τα νησιά της Δυτικής Ελλάδας, Λευκάδα, Κεφαλονιά και Ζάκυνθο με το ηπειρωτικό σύστημα, καθώς και μια υποβρύχια διασύνδεση της Κέρκυρας με την Ηγουμενίτσα στα 66 kv. Στα τέλη του 2005 το σύστημα μεταφοράς περιελάμβανε επίσης 533 μετασχηματιστές και αυτομετασχηματιστές με συνολική ισχύ MVA. 1.2 Το πρόβλημα της ηλεκτρικής ενέργειας Από την εμφάνιση του πρώτου ΣΗΕ εως το τέλος του 20 ου αιώνα η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας παρουσίασε αλματώδη αύξηση, ενώ συνεχώς αυξάνεται στον 21 ο αιώνα. Εκτιμάται ότι το 2020 θα έχουμε μια αύξηση της κατανάλωσης κατά 70% σε σχέση με το 1997, με την αύξηση αυτή να εκτιμάται σε 1.5% ανά έτος σε ανεπτυγμένα κράτη, ενώ είναι αρκετά μεγαλύτερη σε υπό ανάπτυξη χώρες της Ασίας, Αφρικής και Νότιας Αμερικής, δεδομένου ότι 1.5 δις. άνθρωποι εκτιμάται ότι δεν έχουν πρόσβαση στον ηλεκτρισμό. Η ανάγκη για κάλυψη της ολοένα και αυξανόμενης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, σε συνδυασμό με την μεγάλη απόσταση ανάμεσα στις ενεργειακές πηγές και τα κέντρα κατανάλωσης, οδήγησε στη δραστική αύξηση των ΣΗΕ σε μέγεθος αλλά και πολυπλοκότητα. Ακόμα και το μικρότερο ΣΗΕ σήμερα είναι ένα δίκτυο με πολύ μεγάλη πολυπλοκότητα. Για να λειτουργούν με ευστάθεια και αξιοπιστία τόσο εκτεταμένα και πολύπλοκα συστήματα είναι αναγκαίο να αξιοποιούνται όλες οι σύγχρονες τεχνολογικές ανακαλύψεις. Βασικό πρόβλημα που παρουσιάζεται στην προσπάθεια για αξιόπιστη λειτουργία των ΣΗΕ είναι η αδυναμία αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η αδυναμία σε συνδυασμό με τη με τις ημερήσιες μεταβολές του φορτίου επιβάλλει τη συνεχή προσαρμογή της 3

18 παραγωγής στο κυμαινόμενο φορτίο, με σκοπό τη διατήρηση της τάσης και της συχνότητας στις ονομαστικές τους τιμές. Το δύσκολο αυτό έργο αναλαμβάνουν ο τοπικός και κεντρικός έλεγχος των ΣΗΕ. Οι μηχανικοί των ΣΗΕ υπολογίζουν την ικανότητα ενός δικτύου να παραμένει σε συγχρονισμό (μεταβατική ευστάθεια) μετά από σημαντικές διαταραχές (πχ πτώση κεραυνών, διακοπτικές λειτουργίες ) και προτείνουν δομικές αλλαγές ή αποφυγή συγκεκριμένων λειτουργικών καταστάσεων, αν ο συγχρονισμός δεν είναι δυνατός. Η ανάγκη για κάλυψη της ραγδαίας αύξησης του ηλεκτρικού φόρτου στη σύγχονη εποχή απαιτεί την επέκταση του συστήματος μεταφοράς καθώς και την δημιουργία νέων σταθμών παραγωγής. Η επέκταση όμως του συστήματος μεταφοράς και η δημιουργία νεων σταθμών παραγωγής έχει υψηλό κόστος και παρουσιάζει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις με αποτέλεσμα πολλές φορές καθίσταται αδύνατη και λόγω φυσικά των έντονων κοινωνικών αντιδράσεων που πιθανόν να προκαλούνται. Αυτό σε συνδυασμό με την επιθυμία για την ελαχιστοποίηση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας και την ανάπτυξη των ημιαγωγών στοιχείων στερεάς κατάστασης, οδήγησαν στην ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς που ονομάστηκαν Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος (Flexible AC Transmission Systems (FACTS)). Η φιλοσοφία τους έγκειται στη χρησιμοποίηση χρήση ελεγχόμενων στοιχείων ηλεκτρονικής ισχύος, προχωρημένης θεωρίας ελέγχου και σύγχρονους επεξεργαστές για τον έλεγχο διαφόρων χαρακτηριστικών του δικτύου. H σχετικά νέα αυτή τεχνολογία αυξάνει σημαντικά το βαθμό χρησιμοποίησης και αξιοπιστίας ενός εγκατεστημένου συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, εξασφαλίζοντας τους περιορισμούς ευστάθειας που επιβάλλονται, προσφέροντας όπως θα μελετήσουμε αναλυτικά στη συνέχεια δυνατότητα ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος μέσω του ελέγχου του μέτρου και της γωνίας της τάσης. Συν τοις άλλοις, από το τέλος περίπου της δεκαετίας του 1970 άρχισε η αναμόρφωση ή κατ άλλους απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, που φιλοδοξεί ως τελικό της στάδιο να δώσει πλήρη ελευθεριά σε κάθε καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας να επιλέγει ο ίδιος τον προμηθευτή του. Οι υποστηρικτές της απελευθέρωσης της αγοράς ενέργειας θεωρούν ότι μέσω του ανταγωνισμού στην παραγωγή και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας (που προϋποθέτει την ύπαρξη πολλών εταιριών) θα οδηγηθούμε στην βελτίωση της ποιότητας της, καθώς και στην κατά το δυνατό ελάττωση του κόστους της. Το γεγονός όμως ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται και διανέμεται μέσω του δικτύου χωρίς συγκεκριμένες διευθύνσεις καθιστά την απελευθέρωση της 4

19 αγοράς ενέργειας ως ένα από τα πιο σύνθετα τεχνοοικονομικά προβλήματα της σύγχρονης εποχής. Αφ ενός για να έχει τη δυνατότητα ο καταναλωτής να επιλέγει τον προμηθευτή που επιθυμεί πρέπει να εξευρεθούν και να εφαρμοστούν συμπληρωματικές τεχνικές στην αγορά εργασίας, αφετέρου οι φυσικοί περιορισμοί του συστήματος καθώς και η ποιότητα του ηλεκτρισμού επιβάλλουν αυστηρές προδιαγραφές, Σημαντικό ρόλο στην δυνατότητα ανταγωνισμού έπαιξε αναμφίβολα η ανάπτυξη της τεχνολογίας στροβίλων καθώς και η πτώση στη τιμή του φυσικού αερίου, οι οποίες κατέστησαν τις μικρές μονάδες παραγωγής συνδυασμένου κύκλου ανταγωνιστικές ως προς τις μεγάλες θερμικές μονάδες παραγωγής. 1.3 Η ποιότητα ισχύος στα ΣΗΕ Τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ποιότητα της παρεχόμενη ισχύος. Η αύξηση της πολυπλοκότητας των σύγχρονων ΣΗΕ, η προσπάθεια για απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας, η μεγάλη αύξηση του φορτίου αλλά και η δομή του εξοπλισμού φορτίου νεώτερης γενιάς (πχ ηλεκτρονικοί υπολογιστές) ο οποίος βασίζεται σε μικροεπεξεργαστές κα ηλεκτρονικά ισχύος και είναι πιο ευαίσθητος σε διακυμάνσεις ποιότητας ισχύος σε σχέση με τον παλαιότερο εξοπλισμό, είναι καθοριστικοί παράγοντες που έχουν συμβάλει στην αύξηση του ενδιαφέροντος για την ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας. Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) είναι ένας σχετικά καινούργιος όρος που αφορά ένα σύνολο ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων-διαταραχών που εμφανίζονται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Μελετώντας τη βιβλιογραφία προκύπτουν διαφορετικοί ορισμοί για τον όρο ποιότητα ισχύος, ενώ κάποιες πηγές χρησιμοποιούν εναλλακτικά ελαφρώς διαφορετικούς όρους όπως ποιότητα παροχής ενέργειας (quality of power supply) ή ποιότητα τάσης (voltage quality). Σύμφωνα με τη Διεθνή Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC , ed. 1.0 ( )) η ποιότητα ισχύος ορίζεται ως εξής: "Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας μια συγκεκριμένη στιγμή σε ένα ηλεκτρικό σύστημα, αξιολογημένα βάσει μιας σειράς τεχνικών παραμέτρων". Υπό την ευρύτερη της έννοια η ποιότητα ισχύος είναι ένα σύνολο συνθηκών και περιορισμών που επιτρέπουν στα ηλεκτρικά συστήματα να λειτουργούν όπως προορίζονται, η μη τήρηση των οποίων μπορεί να οδηγήσει σε υπολειτουργία, φθορά ή μη λειτουργία του φορτίου. Είναι δυνατόν να υπάρξουν διαφορετικοί ορισμοί ανάλογα το πεδίο στο οποίο αναφέρεται ο καθένας. Ένας καταναλωτής ορίζει ως ποιότητα ισχύος τα χαρακτηριστικά τροφοδοσίας ρεύματος, τα οποία του επιτρέπουν να λειτουργεί σωστά ο εξοπλισμός του, ενώ μια ηλεκτρική εταιρία μπορεί 5

20 να καθορίσει την ποιότητα ισχύος ως μέτρο αξιοπιστίας για να παρουσιάσει το σύστημα της ως αξιόπιστο ως ένα συγκεκριμένο ποσοστό. Σε αντίθεση με την ποιότητα σε άλλα αγαθά, η ποιότητα ισχύος δεν μπορεί να ποσοτικοποιηθεί. Η τάση και τα άλλα τεχνικά χαρακτηριστικά του δικτύου μπορούν να μετρηθούν και πρέπει να λειτουργούν βάση προτύπων, η ποιότητα ισχύος όμως καθορίζεται από την απόδοση και την παραγωγικότητα του εξοπλισμού των χρηστών. Εάν η παρεχόμενη ισχύς δεν υπακούει σε συγκεκριμένα πρότυπα μπορεί να δημιουργήσει σημαντικά προβλήματα, ειδικότερα αν αναλογιστούμε ότι εμπλέκεται σε κρίσιμες εμφάνσεις της καθημερινότητας μας (πχ μέσα μαζικής μεταφοράς, νοσοκομεία κ.λ.π.). Τέτοια προβλήματα αφορούν στην υπολειτουργία του εξοπλισμού του καταναλωτή, φθάνουν εως και την πιθανή φθορά του, ενώ αυξάνουν και κόστος κατανάλωσης που συνδέεται με τους βιομηχανικούς καταναλωτές. Οι αναταράξεις στην ποιότητα ισχύος οφείλονται σε διάφορα φαινόμενα τα οποία μπορεί να είναι φυσικά όπως κεραυνοί ή λειτουργικά όπως διακοπτικά φαινόμενα, προβλήματα αντιστάθμισης, μη γραμμικά φορτία κ.α. Τα χαρακτηριστικά της παρεχόμενης τάσης που επηρεάζονται από τις διαταραχές είναι συχνότητα, πλάτος, κυματομορφή και συμμετρία των τριών φάσεων. Τα συνηθέστερα προβλήματα ισχύος είναι τα εξής: Βυθίσεις τάσης Διακοπές (μικρής και μεγάλης διάρκειας) Υπερτάσεις (μικρής και μεγάλης διάρκειας) Flicker Ασυμμετρία φάσεων Αρμονικές 1.3.1Βυθίσεις τάσης Βύθιση τάσης είναι μια μικρής διάρκειας απότομη μείωση της rms τιμής της τάσης. Ως μέγεθος βύθισης ορίζεται η ελάχιστη rms τίμη κατά τη διάρκεια του συμβάντος και ως διάρκεια το διάστημα κατά το οποίo η τάση έχει τιμή μικρότερη από το 90% της ονομαστικής.οι βυθίσεις αποτελούν το κυριότερο λόγο δυσλειτουργιών που παρουσιάζονται σε ηλεκτρικές συσκευές χαμηλής τάσης. 6

21 Σχήμα 1.2: Τυπική συμμετρική βύθιση τάσης (a) Κυματομορφές τάσης, (b) Ενεργός τιμή τάσης για κάθε φάση [15] Κυριότερες αιτίες για την δημιουργία βυθίσεων είναι: Εκκίνηση κινητήρων ή απότομη αλλαγή φορτίου Ενεργοποίηση μετασχηματιστών Βραχυκυκλώματα (σφάλματα) Βυθίσεις λόγω σύνδεσης κινητήρων προκαλούνται λόγω των μεγάλων ρευμάτων εκκίνησης, τα χαρακτηριστικά των οποίων εξαρτώνται από το μέγεθος των κινητήρων, τα τεχνικά δεδομένα τους και από την ισχύ της βραχυκύκλωσης στο ζυγό που γίνεται η σύνδεση. Βυθίσεις τέτοιου τύπου παρουσιάζουν απότομη πτώση, αργή ανάκαμψη καθώς και συμμετρική βύθιση. Σε βύθιση λόγω ενεργοποίηση Μ/Σ, ο Μ/Σ απορροφά ένα μεγάλο ρεύμα κατά την εκκίνηση το οποίο περιέχει μεγάλο ποσοστό άρτιων αρμονικών προκαλώντας σοβαρή παραμόρφωση στους καταναλωτές με αρμονικές δεύτερης τάξης. Χαρακτηριστικά της βύθισης είναι η απότομη πτώση, αργή ανάκαμψη και η ασυμμετρία. Βυθίσεις λόγω σφαλμάτων παρουσιάζουν απότομη πτώση, απότομη ανάκαμψη ενώ μπορεί να είναι είτε συμμετρικές είτε ασύμμετρες. Το μέγεθος εξαρτάται από την απόσταση του σφάλματος από το 7

22 φορτίο, τις διασυνδέσεις του δικτύου καθώς και το πόσο ασθενές ή ισχυρό είναι το δίκτυο (ισχύς βραχυκύκλωσης) στο σημείο του σφάλματος. Ο τύπος του σφάλματος και οι συνδεσμολογίες των Μ/Σ επηρεάζουν ακόμα το πλάτος της βύθισης. Η διάρκειά της εξαρτάται κυρίως από την ταχύτητα με την οποία λειτουργεί το σύστημα προστασίας. Σε αυτό παίζουν ρόλο ο τύπος προστασίας που χρησιμοποιείται και ο χρόνος απόκρισης των συσκευών διακοπής. Τυπικός χρόνος για τη λειτουργία προστασίας στο δίκτυο μεταφοράς είναι 5 κύκλοι (100 msec), ενώ μεγαλύτεροι χρόνοι παρατηρούνται σε δίκτυα χαμηλότερης τάσης Διακοπές ισχύος Διακοπή συμβαίνει όταν η τάση τροφοδοσίας ή το ρεύμα φορτίου γίνεται μικρότερο από 0.1 pu μέσα σε χρονικό διάστημα που δεν ξεπερνά το 1 λεπτό. Οι διακοπές μπορούν να θεωρηθούν ειδικές περιπτώσεις βυθίσεων. Αιτία των διακοπών μπορεί να είναι σφάλματα του δικτύου ισχύος, βλάβες στον εξοπλισμό ή δυσλειτουργία των συστημάτων ελέγχου. Οι διακοπές κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη διάρκεια τους, η οποία καθορίζεται από το χρόνο λειτουργίας των συσκευών προστασίας. Οι διακοπές μεγάλης διάρκειας οφείλονται είτε σε κάποιο σοβαρό μόνιμο σφάλμα που θέτει εκτός λειτουργίας στοιχεία του δικτύου και χρειάζεται αποκατάσταση επιτόπου, είτε λόγω προγραμματισμένων εργασιών συντήρησης στο δίκτυο. Οι μικρής διάρκειας (<3 λεπτά) οφείλονται στη λειτουργία διακοπτών ισχύος ή επανακλειόμενων διακοπτών για την επαναφορά του δικτύου μετά από σφάλμα. Η διαδικασία αυτή είναι συνηθισμένη σε δίκτυα διανομής και εφαρμόζεται διότι μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων είναι παροδικά και εξαφανίζονται μετά το άνοιγμα του διακόπτη Υπερτάσεις Οι μεταβατικές υπερτάσεις (transients) είναι ανεπιθύμητες, γρήγορες και βραχείας διάρκειας διαταραχές που παράγουν παραμορφώσεις στην τάση ή το ρεύμα. Κύριες αιτίες εμφάνισεις τους είναι η κεραυνοπληξία, οι διακοπτικοί χειρισμοί και η τήξη ασφαλειών.τα χαρακτηριστικά και οι κυματομορφές των μεταβατικών υπερτάσεων εξαρτώνται από το σύστημα παραγωγής ενέργειας και τις παραμέτρους του ηλεκτρικού δικτύου (π.χ., αντίσταση, επαγωγή και χωρητικότητα) στο σημείο ενδιαφέροντος. Οι μεταβατικές υπερτάσεις μπορούν να ταξινομηθούν με βάση διάφορα χαρακτηριστικά τους όπως πλάτος, διάρκεια, χρόνος ανόδου, πλάτος φασματικής πυκνότητας ή 8

23 συχνότητα εμφάνισης. Οι μεταβατικές υπερτάσεις συνήθως κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: κρουστικές υπερτάσεις (impulsive) και υπερτάσεις με αποσβεννύμενη ταλάντωση (oscillatory). Οι κρουστικές υπερτάσεις (impulsive transients) είναι απότομες μεταβολές στη μόνιμη κατάσταση της τάσης, του ρεύματος ή και των δυο, οι οποίες δεν προκαλούν αλλαγή στην συχντητα του συστήματος και είναι μίας κατεύθυνσης στην πολικότητα (είτε θετική είτε αρνητική,κυρίως θετική). Η πιο κοινή αιτία των κρουστικών υπερτάσεων είναι οι κεραυνοί. Ως κρουστικές υπερτάσεις θεωρούμε εκείνες τις υπερτάσεις για τις οποίες έχουμε κάνει τις εξής παραδοχές: η κορυφή τους υπερβαίνει την διπλάσια τιμή του πλάτους της ονομαστικής τάσης λειτουργίας του συστήματος και η διάρκειά τους κυμαίνεται από ένα μsec εώς και ένα msec. Οι κρουστικές υπερτάσεις μπορούν να διεγείρουν τα κυκλώματα συντονισμού ισχύος του συστήματος και να παράγουν το άλλο είδος μεταβατικών υπερτάσεων - υπερτάσεις με αποσβεννόμενη ταλάντωση. Σχήμα 1.3: Τυπική μορφή κρουστικής υπέρτασης [15] Οι υπερτάσεις με αποσβενόμενη ταλάντωση (oscillatory transients) αποτελούν ξαφνική αλλαγή της σταθερής κατάστασης της τάσης, του ρεύματος ή και των δύο, χωρίς να μεταβάλλεται η συχνότητα του συστήματος, τόσο προς τη θετική όσο και προς την αρνητική κατεύθυνση στην πολικότητα. Μια υπέρταση με αποσβενόμενη ταλάντωση συνίσταται σε τάση ή ρεύμα των οποίων η στιγμιαία τιμή αλλάζει πολικότητα ραγδαία. Το φαινόμενο αυτό περιγράφεται από το φασματικό περιεχόμενο, τη συχνότητα και το πλάτος. Οι υπερτάσεις με αποσβενόμενη ταλάντωση κατηγοριοποιούνται με βάση το φασματικό τους περιεχόμενο σε χαμηλής, μεσαίας και υψηλής συχνότητας. Αυτή η κατηγορία διαταραχών συναντάται συχνά σε συστήματα διανομής κυρίως λόγω ζεύξης και απόζευξης συσκευών, συστοιχιών πυκνωτών κ.ά. 9

24 Σχήμα 1.4: Τυπική μορφή υπέρτασης με αποσβενόμενη ταλάντωση. [15] Οι επιπτώσεις των μεταβατικών υπερτάσεων σε ένα σύστημα ισχύος εξαρτιόνται κυρίως από το πλάτος και τη συχνότητά τους. Στις κρουστικές υπερτάσεις (πχ κεραυνός) βασική αιτία δημιουργίας προβλημάτων είναι το πλάτος του και μπορούν να προκαλέσουν άμεσα ζημιά στον εξοπλισμό. Στην περίπτωση των χαμηλού πλάτους μεταβατικών υπερτάσεων, οι οποίες διασπούν με αργό ρυθμό τη μόνωση του εξοπλισμού, η ζημιά μπορεί να προκληθεί σταδιακά, μειώνοντας πχ το χρόνο ζωής κινητήρων και μετασχηματιστών, καθιστώντας τους επιρρεπείς σε βραχυκυκλώματα Flicker Το flicker, γνωστό ως τρεμόπαιγμα, οφείλεται σε τυχαίες ή επαναλαμβανόμενες διακυμάνσεις στην rms τάση μεταξύ 90 και 110% της ονομαστικής τιμής. Αν ποικίλει το μέγεθος της τάσης κανονικά ποικίλλει και η ροή ισχύος στον εξοπλισμό. Η απόδοση του εξοπλισμού μπορεί να επηρεαστεί εάν οι διακυμάνσεις είναι αρκετά μεγάλες ή σε κρίσιμη περιοχή συχνοτήτων, ωστόσο αυτό είναι αρκετά σπάνιο, με εξαίρεση τα φορτία φωτισμού. Αυτό οφείλεται στο ότι τα μάτια είναι πολύ ευαίσθητα στις μεταβολές του φωτισμού ανάμεσα στο 1Hz και 10Hz, και πάνω από ένα ορισμένο μέγεθος της τάσης το φλίκερ γίνεται ενοχλητικό. 10

25 Σχήμα 1.5: Διακύμανση τάσης που οφείλεται σε ηλεκτρικό κλίβανο [15] Το φλίκερ προκαλείται από συσκευές ή εξοπλισμό που προκαλούν γρήγορες διακυμάνσεις σε ρεύματα φορτίου. Πιο κοινή πηγή διακυμάνσεων αποτελούν οι ηλεκτρικοί κλίβανοι, ενώ άλλες συσκευές που επηρεάζουν είναι :ηλεκτροσυγκολλητές, κυκλομετατροπείς, στατικοί μετατροπείς συχνότητας, μεγάλες μηχανές (κατά την εκκίνηση) κ.α Ασυμμετρία φάσεων Ασυμμετρία τάσης εμφανίζεται είτε όταν υπάρχει διαφορά στην ενεργό τιμή της τάση μεταξύ των φάσεων είτε όταν η γωνία μεταξύ των φάσεων αποκλίνει από τις 120. Σύμφωνα με την IEEE η ασυμμετρία τάσης ορίζεται ως ο λόγος της συνιστώσας αρνητικής ή μηδενικής ακολουθίας προς τη συνιστώσα θετικής ακολουθίας της τάσης. Σχήμα 1.6: Ασυμμετρία Τάσης [15] Στην πραγματικότητα, σπάνια οι τάσεις είναι ακριβώς ισορροπημένες μεταξύ των φάσεων. Προβλήματα ωστόσο προκύπτουν όταν η ασυμμετρία ξεπεράσει κάποια όρια, κυρίως στους τριφασικούς κινητήρες λόγω υπερθέρμανσης. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να οδηγήσει σε αποδόμηση της μόνωσης του κινητήρα, προκαλώντας μόνιμη και σωρευτική βλάβη. Αυτή η 11

26 περίπτωση βλάβης οδηγεί σε εξαιρετικά δαπανηρές διακοπές της λειτουργίας των εγκαταστάσεων. Για να διορθωθεί η ασυμμετρία της τάσης χρειάζεται αναπροσαρμογή των φορτίων ή προσαρμογή της εγκατάστασης στις εισερχόμενες τάσεις Αρμονικές Αρμονικές είναι ημιτονοειδείς τάσεις ή ρεύματα των οποίων η συχνότητα είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας του συστήματος (50 ή 60 Hz). Ο λόγος της αρμονικής με την θεμελιώδη συχνότητα ονομάζεται τάξη της αρμονικής. Κύριο αίτιο εμφανισής τους είναι ο εκσυγχρονισμός των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και η εκτεταμένη χρήση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Ειδικότερα η χρήση τροφοδοτικών ισχύος με διακοπτική λειτουργία για τον έλεγχο των φορτίων και τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος οδηγεί σε ανεπιθύμητες συχνότητες που υπερτίθενται στην τάση τροφοδοσίας. Άλλη αιτία αποτελούν τα μη γραμμικά φορτία που αλλοιώνουν την ημιτονοειδή μορφή του εναλλασσόμενου ρεύματος, με αποτέλεσμα τη ροη αρμονικών στο δίκτυο, κορεσμός Μ/Σ καθώς και οι κατασκευαστικές ατέλειες του εξοπλισμού. Αποτέλεσμα της ύπαρξης αρμονικών είναι η υπερθέρμανση μηχανών, αυξημένες απώλειες, καταπόνηση μονώσεων, εσφαλμένη ενεργοποίηση διακοπτών, διαταραχές στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και υπερδιαστασιολόγηση. Επιπρόσθετα μπορούν να προκύψουν συντονισμοί μέσω της διέγερσης ιδιοσυχνοτήτων που οδηγούν σε ταλάντωση των κινητήρων και πιθανή ζημιά. Σχήμα 1.7: Ανάλυση ημιτονοειδούς σήματος όπου διακρίνονται οι αρμονικές διαφόρων τάξεων και η τελική κυματομορφή. [8] 12

27 1.4 Βασικές αρχές ελέγχου ροής ισχύος Όπως προαναφέραμε τα ΣΗΕ από την εμφάνισή τους εως και σήμερα έχουν σημειώσει αλματώδη αύξηση στο μέγεθος και την πολυπλοκότητα τους. Οι μέθοδοι και οι συσκευές που αφορούν την παραγωγή και διανομή παρουσιάζον συνεχώς βελτίωση στην απόδοση και την αξιοπιστία. Η ανάγκη για υψηλής ποιότητας ισχύ, για κατά το δυνατόν περιορισμό του κόστους παραγωγής και μεταφοράς αλλά και η συνεχή προσαρμογή της παραγωγής στο κυμαινόμενο φορτίο, που προκύπτει όπως είδαμε από την αδυναμία για αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, καθιστούν τον έλεγχο των ΣΗΕ απαραίτητο. Ο τοπικός και κεντρικός έλεγχος φροντίζει για την διατήρηση της συχνότητας και της τάσης στις ονομαστικές τους τιμές καθώς και στη ομαλή λειτουργία ολόκληρου του συστήματος. Ακόμα φροντίζει όταν η διαθέσιμη ισχύς μιας μονάδας δεν αρκεί για την κάλυψη της μεταβολής του φορτιού, τον καταμερισμό μεταξύ των σταθμών παραγωγής έχοντας πάντα ως στόχο το χαμηλότερο κόστος και την ομαλή λειτουργία. Τα ΣΗΕ σήμερα λειτουργούν με την μορφή διασυνδεδεμένων δικτύων που συνεργάζονται μεταξύ τους με σκοπό την ασφαλέστερη, πιο αξιόπιστη και οικονομικότερη λειτουργία. Ο έλεγχος προσφέρει τη δυνατότητα αυτής της συνεργασίας η οποία παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως τον περιορισμό των μονάδων παραγωγής που είναι αναγκαίες για την κάλυψη έντονων μεταβολών στο φορτίο ( τη λεγόμενη θερμή ή στρεφόμενη εφεδρεία), μέσω της ανταλλαγής ισχύος που πραγματοποιείται ανάμεσα σε διασυνδεδεμένα ΣΗΕ. Απαραίτητη προϋπόθεση για την διασύνδεση 2 ΣΗΕ είναι η λειτουργία σε ίδια ονομαστική συχνότητα και ο συγχρονισμός όλων των επιμέρους όλων των διαθέσιμων μονάδων παραγωγής Το απλό μοντέλο 2 μηχανών Η ενεργός και άεργος ισχύς σε μια γραμμή μεταφοράς εξαρτάται από τα μέτρα των τάσεων αναχώρησης και άφιξης και από τις αντίστοιχες φασικές τους γωνίες τους καθώς και από την επαγωγική αντίδραση της γραμμής. Για να γίνει πιο ευκολότερη η κατανόηση των βασικών εννοιών περί της ροής ισχύος, χρησιμοποιούμε το απλό μοντέλο των δύο μηχανών, το οποίο φαίνεται στο κάτωθι σχήμα. 13

28 Σχήμα 1.8 Ροή ισχύος [10] (α) Μοντέλο δύο ζυγών (b) Καμπύλη ενεργού ισχύος γωνίας Θεωρούμε γραμμή ιδανική γραμμή μεταφοράς χωρίς απώλειες με επαγωγική αντίδραση Χ. Ως τάση αναφοράς θεωρούμαι την τάση V R στο άκρο άφιξης, δηλαδή έχει μηδενική γωνία.η σχέση που συνδέει φαινόμενη, ενεργό και άεργο ισχύ είναι η ακόλουθη: S P jq V I * R R R R (1.1) Για το άκρο αναχώρησης προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις: P P (1.2) S Q S max sin 2 VS P cos max (1.3) X Για το άκρο άφιξης προκύπτουν ακόμα οι εξής σχέσεις: Q R R 2 VR P cos max (1.4) X P P (1.5) max sin Θα προχωρήσουμε σε περαιτέρω ανάλυση του απλού μοντέλου ώστε να εξαχθούν με ακρίβεια οι εξισώσεις που περιγράφουν την εξάρτηση της ενεργού και άεργου ισχύος από την γωνία δ. Κάνουμε τις εξής γενικές παραδοχές, οι οποίες δεν περιορίζουν την γενικότητα της ανάλυσης: ως αναφορά χρησιμοποιούμε το διάνυσμα του ρεύματος 14

29 η γραμμή έχει μηδενικές απώλειες και μηδενικές εγκάρσιες αγωγιμότητες, παρουσιάζει μόνο επαγωγική αντίδραση τα μέτρα των τάσεων αναχώρησης και άφιξης είναι ίσα με V, δηλαδή V, V V η γωνία R S ισχύος μεταξύ των VS και VR είναι ίση με δ και συγκεκριμένα VS V /2 και VR V /2. η συνολική επαγωγική αντίδραση της γραμμής είναι κατανεμημένη ομοιόμορφα γύρω από το σημείο Μ που βρίσκεται στο μέσο της Σχήμα 1.9 :a) Μοντέλο 2 μηχανών και γραμμή μεταφοράς, b) Συμμετρικός χωρισμός στη μέση, c) διανυσματικό διάγραμμα, d) ενεργός και άεργος ισχύς (στην αναχώρηση) συναρτήσει γωνίας δ. [10] Η πτώση τάσης στη γραμμή μεταφοράς λόγω επαγωγικών αντιδράσεων είναι VX jxi με τα διανύσματα των V X και I να είναι κάθετα μεταξύ τους αφού δεν έχουμε ωμικές αντιδράσεις. Στο 15

30 σχήμα 1.11.c παρουσιάζεται το διανυσματικό διάγραμμα των τάσεων που διαγράφει ένα ισοσκελές τρίγωνο ( ΟΑΒ). Λόγω συμμετρίας το διάνυσμα ΟΜ είναι κάθετο στην ΑΒ άρα και διχοτόμος της γραμμής. Από το σχήμα εξάγουμε τις παρακάτω εξισώσεις: X VX VS j I Vm Vm (1.6) 2 2 X VX Vm j I VR VR (1.7) 2 2 Αφαιρούμε κατά μέλη ώστε να υπολογίσουμε την τάση στο μέσο της γραμμής: V m VR VS V cos (1.8) 2 2 Βάση του νόμου τάσεων Kirchhoff έχουμε ότι VS jxi VR, άρα υπολογίζουμε το ρεύμα της γραμμής: I VS VR 2V sin (1.9) jx X 2 Για γραμμή με μηδενικές απώλειες η ενεργός ισχύς διατηρείται σταθερή σε οποιοδήποτε σημείο της γραμμής, άρα: 2 V PS PR Pm P VmI sin (1.10) X Η άεργος ισχύς δεν διατηρείται σταθερή λόγω επαγωγικών αντιδράσεων οπότε υπολογίζουμε ξεχωριστά για το άκρο αναχώρησης και άφιξης ώστε να βρούμε τις απώλειες (την άεργο που απορροφά η γραμμή ). Q Q R S * Im{ VRI } * Im{ VSI } Q Q Q L S R S P jq V I * S S S S 2 2 * 2V 2V 2V 2 SS VSI V{cos j sin } sin sin cos j sin 2 2 X 2 X 2 2 X * V V SS VSI sin j (1 cos ) X X V ZI Z r Και αντίστοιχα 16

31 S P jq V I * R R R R 2 2 * 2V 2V 2V 2 SR VRI V{cos j sin } sin sin cos j sin 2 2 X 2 X 2 2 X * V V SR VRI sin j (1 cos ) X X Άρα Q Q S R 2 V (1 cos ) (1.11) X 2 V (1 cos ) (1.12) X 2 2V QL QS QR (1 cos ) (1.13) X Στο σχήμα 1.9.d παρουσιάζονται η ενεργός και άεργος ισχύς συναρτήσει της γωνίας δ. Παρατηρούμε ότι για δ=π/2 η ενεργός παρουσιάζει μέγιστο P V V S R max το οποίο ονομάζεται όριο στατικής ευστάθειας μόνιμης κατάστασης. Λαμβάνοντας υπόψη τις ωμικές απώλειες, τότε η τιμή της γωνίας δ για την οποία προκύπτει Pmax X είναι διαφορετική. Παρατηρούμε ότι η ισχύς αλλάζει πρόσημο ανάλογα τη γωνία δ. Η φορά της ισχύος εξαρτάται δηλαδή από το ποια εκ των V S, V R προηγείται της άλλης. Όταν εξαναγκάσουμε την ισχύ να φτάσει στο μέγιστο όριο της τότε η γωνία δ έχει γίνει 90 ο. Κάθε προσπάθεια αύξησης της γωνίας δ περαιτέρω προκαλεί μείωση της ροής ισχύος και με αποτέλεσμα οι ζυγοί να αποσυντονίζονται και να παύει πλέον η ανταλλαγή ισχύος μεταξύ τους. Μια στοιχειώδης μεταβολή της ισχύος ΔP προκαλεί μια μεταβολή στην γωνία ίση με Δδ. Ορίζεται έτσι ο συντελεστής ευκαμψίας dp T P cos max MW/rad (1.14) d ο οποίος για δ κοντά στις 90 ο γίνεται 0. Πρακτικά η γωνία δ δεν ξεπερνά τις 35 ο -40 ο στην πράξη. Για τον προσδιορισμό του κατάλληλου περιθωρίου ως προς τη γωνία φορτίου δ, χρησιμοποιείται η βασική ιδέα της δυναμικής ευστάθειας ή της μεταβατικής ευστάθειας. Να τονίσουμε ακόμα ότι στην πραγματικότητα, προφανώς λόγω ύπαρξης πραγματικών απωλειών στις γραμμές μεταφοράς η ισχύς περιορίζεται σε τιμές μικρότερες της P max. Συγκεκριμένοι παράγοντες καθορίζουν τα όρια της μεταφερόμενη ισχύος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας: 17

32 Το θερμικό όριο ρεύματος στον αγωγό, που προκύπτει από τις κατασκευαστικές προδιαγραφές του, για να αποφευχθούν υπερβολικά βέλη κάμψης των εναέριων αγωγών μεταξύ των πυλώνων και μη αναστρέψιμο τάνυσμα αυτών. Το ανεξέλεγκτο όριο ροής ισχύος, που είναι το όριο που προσδιορίζεται από το νόμο της φυσικής για μεταφορά ισχύος, χωρίς να εξασφαλίζεται η δυναμική ευστάθεια. Η διηλεκτρική αντοχή των αγωγών. Τα λειτουργικά όρια φόρτισης των γραμμών μεταφοράς στην πράξη είναι συνήθως σημαντικά μικρότερα από τα όρια που ορίζουν οι 3 προαναφερθέντες παράγοντες, προκειμένου να εξασφαλισθούν η στατική ευστάθεια, η μεταβατική ευστάθεια και μη αστάθεια τάσης. Η ισχύς μπορεί ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος να φτάνει πχ τα MW για ασφαλή λειτουργία μιας γραμμής 500kV, ενώ το θερμικό της όριο είναι 3000 MW Ευστάθεια Επειδή όπως είδαμε μέχρι σήμερα δεν έχουμε βρει οικονομικούς τρόπους για να αποθηκεύουμε μεγάλες ποσότητες ενέργειας, πρέπει κάθε στιγμή να εξασφαλίζεται η ευσταθής λειτουργία των ΣΗΕ. Ευστάθεια Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι ένας όρος χρησιμοποιούμενος για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος για να δηλώσει μια κατάσταση, όπου οι σύγχρονες μηχανές του συστήματος στρέφονται με την ίδια μέση ταχύτητα. Πρακτικά σημαίνει την κατάσταση στην οποία εξασφαλίζεται ισότητα μεταξύ μηχανικής ισχύος εισόδου και παραγόμενου ηλεκτρικού φορτίου. Σύμφωνα με την ΙΕΕΕ, θεωρούμε δυναμική ευστάθεια την ικανότητα που έχει το ΣΗΕ να παραμένει συγχρονισμένο έπειτα από μικρές διαταραχές, ενώ μεταβατική ευστάθεια είναι η ικανότητα που διαθέτει το ΣΗΕ να παραμένει συγχρονισμένο όταν υπόκειται σε διάφορες μεταβατικές διαταραχές, όπως σφάλματα (πχ βραχυκυκλώματα ή απώλεια γραμμών μεταφοράς) ή απώλειες στην παραγωγή. Αν το σύστημα είναι ευσταθές ή όχι εξαρτάται από τον συντελεστή ευκαμψίας που δείξαμε πριν αν η παράγωγος dp / d είναι αντίστοιχα θετική ή αρνητική. Για μηδενική τιμή της παραγώγου της ισχύς προκύπτει η μέγιστη ισχύς που μπορεί να μεταφερθεί χωρίς να αποσυγχρονιστούν οι μηχανές των 2 άκρων, η οποία αποτελεί το όριο στατικής ευστάθειας ή όριο ευστάθειας μόνιμης κατάστασης. Πρακτικά ένα σύστημα μεταφοράς δεν πρέπει να λειτουργεί κοντά στο όριο στατικής ευστάθειας.θα πρέπει να προβλέπεται ένα συγκεκριμένο περιθώριο στη μεταφορά ισχύος έτσι 18

33 ώστε το σύστημα να είναι ικανό να χειριστεί διαταραχές, όπως μεταβολές στο φορτίο, σφάλματα στο δίκτυο (βραχυκυκλώματα) και χειρισμούς μεταγωγής ( άνοιγμα-κλείσιμο διακοπτών). Τα περιθώρια αυτά καθορίζονται από μελέτες μεταβατικής ευστάθειας. Το μέγιστο φορτίο στο οποίο που μπορεί να εργάζεται πριν από κάποια συγκεκριμένη διαταραχή, ώστε να διατηρήσει το συγχρονισμού μετά το πέρας της διαταραχής ονομάζεται όριο ευστάθειας μεταβατικής κατάστασης. Τυπική ισχύς μεταφοράς αντιστοιχεί σε γωνίες ισχύος κάτω των 30 ο. Για να είμαστε σίγουροι για την μόνιμη ευσταθή κατάσταση του δρομέα, οι τιμές των γωνιών στα διάφορα συστήματα μεταφοράς είναι συνήθως μικρότερες των 45 ο. Το στατικό όριο ευστάθειας στην πράξη δεν το πλησιάζουμε ποτέ, η χρησιμότητα του έγκειται στο γεγονός ότι είναι απαραίτητο για τις μελέτες μεταβατικής ευστάθειας ώστε να καθοριστεί η πρακτική τιμή της γωνίας δ. Επειδή στην πράξη δουλεύομε με μικρές γωνίες δ, σε αυτά τα διαστήματα το cosδ παρουσιάζει μικρή μεταβολή, άρα η άεργος ισχύς στα άκρα καθώς και οι άεργες απώλειες στη γραμμή παρουσιάζουν μεγαλύτερη εξάρτηση από τα μέτρα V, V παρά από την γωνία δ. R S Όπως μπορεί να φανεί από το σχήμα 1.2, η τομή μεταξύ της γραμμής φορτίου, η οποία αντιπροσωπεύεται από τη μηχανική ισχύ στην αναχώρηση, και της καμπύλης μεταφερόμενης ισχύος καθορίζει την τιμή της γωνίας δ για τη μόνιμη κατάσταση. Μια μικρή αύξηση στη μηχανική ισχύ στο άκρο αναχώρησης αυξάνει τη γωνία δ. Για γωνίες με τιμές άνω των 90 o η παραμικρή αύξηση ισχύος επιταχύνει την γεννήτρια και καθιστά τοσύστημα ασταθές. Ωστόσο στο αριστερό σημείο τομής, αύξηση της γωνίας δ προκαλεί αύξηση της ηλεκτρικής ισχύος για να ισοσταθμίσει την αύξηση της μηχανικής ισχύος. Για τον προσδιορισμό του κατάλληλου περιθωρίου ως προς τη γωνία φορτίου δ, χρησιμοποιείται η βασική ιδέα της δυναμικής ευστάθειας ή της μεταβατικής ευστάθειας. 1.5 Σημασία ελέγχου άεργου ισχύος Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον για τον έλεγχο άεργου ισχύος-τάσης παρουσιάζει ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον. Οι λόγοι που συμβάλουν σε αυτό συνοπτικά είναι οι εξής: Υπάρχει απαίτηση για αποδοτικότερη λειτουργία των ΣΗΕ εξαιτίας της αύξησης των τιμών των καυσίμων, άρα επιζητείται η κατά δυνατόν ελαχιστοποίηση της ροής άεργου ισχύος για να μειωθούν οι απώλειες στις γραμμές μεταφοράς. 19

34 Η επέκταση των δικτύων μεταφοράς συναντά πολλά εμπόδια λόγω κόστους και δυσκολίας ανεύρεσης κατάλληλων δρόμων διέλευσης. Η διαφοροποίηση της φύσης των φορτίων με τη χρήση πολλών ηλεκτρονικών συσκευών, όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, και την αύξηση των βιομηχανικών φορτίων, που παρουσιάζουν ευαισθησία σε μεταβολές και απαιτούν καλύτερης ποιότητας παρεχόμενη ενέργεια. Οι αρμονικές που παράγονται από συγκεκριμένα φορτία, αλλά και ελεγχόμενους στατικούς αντισταθμιστές, που αν δεν ληφθούν υπόψη μπορούν να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητη κατάσταση όπου η μετρούμενη άεργος είναι μηδενική, ο συντελεστής ισχύος όμως παραμένει μικρότερος της μονάδας. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής θα μελετήσουμε διατάξεις που αντισταθμίζουν την άεργο ισχύ τοπικά βελτιώνοντας έτσι τον βαθμό αξιοποίησης του ΣΗΕ. Για να γίνει πιο εύκολα κατανοητή η σημασία ελέγχου της άεργου ισχύος μέσω παραδειγμάτων θα αναλύσουμε εν συντομία την εξάρτηση της τάσης ζυγού από την άεργο ισχύ, την ανάγκη που προκύπτει για τοπική αντιστάθμιση της και το φαινόμενο της αστάθειας τάσης Εξάρτηση της τάσης των ζυγών από την άεργο ισχύ Για ικανοποιητική λειτουργία των συσκευών που συνδέονται σε ένα ΣΗΕ απαιτούμε η τάση λειτουργίας να είναι ίση με την ονομαστική ή έστω να μην διαφέρει από αυτήν σε ποσοστό μεγαλύτερο του 10%, αλλιώς παρουσιάζονται τα προβλήματα που αναλύσαμε νωρίτερα στο κεφάλαιο Ποιότητα Ισχύος. Όταν έχουμε τροφοδοσία μέσω ακτινικής γραμμής με σταθερή τάση V S στην είσοδο της γραμμής, η τάση V R υφίσταται μεταβολές ανάλογες λόγω των μεταβολών του φορτίου. Συγκεκριμένα όσο μεγαλύτερο το φορτίο και όσο μικρότερος ο συντελεστής ισχύος του, τόσο αυξάνονται οι μεταβολές της V R. Οι μεταβολές οφείλονται στην ανισορροπία μεταξύ εισερχόμενης και εξερχόμενης άεργου ισχύος. Όταν η εισερχόμενη είναι μεγαλύτερη της εξερχόμενης η τάση αυξάνει για να ισορροπήσει ενώ το αντίθετο συμβαίνει όταν είναι μικρότερη. Θεωρώ σύστημα 2 ζυγών του σχήματος Η γραμμή μεταφοράς είναι ακτινική, μηκρού μήκους και με μηδενικές απώλειες (R=0). Η τάση της εισόδου έχει σταθερό μέτρο και είναι 20

35 (ρυθμίζεται από την γεννήτρια για να διατηρείται σταθερή) και η τάση εξόδου ( την θεωρώ αναφορά) είναι V V 0. Το σύστημα είναι ανά μονάδα και για την μιγαδική ισχύ στην έξοδο προκύπτει: V S V S V V S R R R E E o E V ZlI Zl V 0 Z Zs Zs s Zl 1 1 Z Z l l V E Zs Z {[ cos( ) 1] [ sin( ) ]} Z Z l 1 2 s 2 2 l (1.15) Σχήμα 1.10: Φορτίο τροφοδοτούμενο από γεννήτρια [2] S P jq V I * R R R R * VS VR * VS cos j VS sin VR SR VRI VR[ ] VR [ ] jx jx VS VR VS VR cos VR sin j X X 2 P R Q R VS VR sin (1.16) X 2 VS VR VR (1.17) X 1 1 4QR VR VS VS (1 ) (1.18) V S 21

36 2 V P cos (1.19) Z l Αντίστοιχα προκύπτουν: VS VR PS sin (1.20) και X και ισχύουν όπως πριν P P P S R QL QS QR max sin Q S 2 VS VS VR cos (1.21) X Για V V πχ 1 και 0.9 pu αντίστοιχα δ=30 ο βρίσκουμε από τις εξισώσεις (1.17) και (1.21) ότι S R Q 0.22 / και Q 0.03/ X. Παρατηρούμαι δηλαδή ότι ενώ παρέχεται σημαντική άεργος S R στην είσοδο, αυτή δεν φτάνει ποτέ στην έξοδο. Μάλιστα η γραμμή απαιτεί επιπλέον άεργο ισχύ στην έξοδο ( 0.03 / X ), συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η γραμμή είναι ένας σημαντικός καταναλωτής άεργου ισχύος. Για μικρές γωνίες δ, αν θέσουμε cos 1, η (1.21) γίνεται Q R VS VR VR X QR VR VS VS (1 ) (1.22) V S Στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας η άεργος του φορτίου Q D είναι ίση με την Q R, ενώ και το μέτρο της τάσης εισόδου είναι σταθερό. Αν λοιπόν αυξηθεί το Q D, επειδή Q D= Q R, η V R πρέπει να ελαττωθεί για να ικανοποιηθεί το καινούργιο φορτίο και αντίστροφα. Γίνεται λοιπόν κατανοητό από το παράδειγμα αυτό ότι για να διατηρείται η τάση ενός ζυγού σταθερή απαιτείται αντιστάθμιση άεργου ισχύος του φορτίου, η οποία μάλιστα είναι προτιμότερο να γίνεται τοπικά παρά να μεταφέρεται μέσω της γραμμής μεταφοράς Αστάθεια τάσης Κατά ανάλογο τρόπο με την ανισορροπία μεταξύ της παραγόμενης και τροφοδοτούμενης πραγματικής ισχύος, που μπορεί να προκαλέσει αποσυγχρονισμό στο δίκτυο, εμφανίζεται και η 22

37 αστάθεια τάσης. Η αστάθεια τάσης είναι ένα δυναμικό φαινόμενο, που περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση των μεταβολών των φορτίων και του εξοπλισμού που διαθέτει το ΣΗΕ για τον έλεγχο τάσης. Πρακτικά αφορά την ανισορροπίας μεταξύ άεργου ισχύος στους ζυγούς των φορτίων. Τα τελευταία χρόνια το φαινόμενο έχει λάβει μεγάλες διαστάσεις, κάτι που οφείλεται στην διαφοροποίηση της φύσης του φορτίου, καθώς και στην έλλειψη αυστηρής πολιτικής για τοπική αντιστάθμιση άεργου ισχύος τοπικά, τόσο από τις ηλεκτρικές εταιρίες όσο και από τους καταναλωτές. Η μεγάλη αύξηση της ζήτησης για ηλεκτρική ενέργεια οδήγησε σε έναν αγώνα δρόμου τις ηλεκτρικές εταιρίες για αύξηση της παραγωγής, δίχως όμως να συμβεί το ίδιο για το δίκτυο μεταφοράς αφού οικονομικοί και περιβαλλοντικοί λόγοι δεν ευνοούν την επέκταση του. Έτσι σήμερα το δίκτυο μεταφοράς οριακά μπορεί να καλύψει της απαιτήσεις για πραγματική ισχύ και ενώ μέσω σύγχρονων τεχνικών ελέγχου αξιοποιούνται οι παραγωγικές δυνατότητες σε ικανοποιητικό βαθμό και καλύπτονται τα απαιτούμενα φορτία, δεν υπάρχουν οι αντίστοιχες δυνατότητες για κάλυψη των απαιτήσεων για άεργο ισχύ. Έτσι εμφανίζεται το φαινόμενο της αστάθειας τάσης στους ζυγούς, προκαλείται βαθμιαία πτώση και πιθανή συσκότιση όπως συνέβη τον Ιούλιο του 2004 στην Αθήνα. Στο παρακάτω παράδειγμα θεωρούμε ακτινική γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους Σχήμα 1.11: Σύστημα μηχανής-φορτίου σε ακτινική γραμμή [2] Για το κύκλωμα του σχήματος παίρνουμε: E V ZlI Zl Z Z άρα s l E o E V 0 Zs Zs 1 1 Z Z l l 23

38 V E Zs Z {[ cos( ) 1] [ sin( ) ]} Z Z l 1 2 s 2 2 l (1.23) και 2 V P cos (1.24) Z l Η γραφική αναπαράσταση των ζευγών (P,V) για διαφορετική τιμή του Zl και του cos μας δίνει τις καμπύλες των χαρακτηριστικών P-V του συστήματος. Οι καμπύλες φαίνονται στο σχήμα 1.13 και παρατηρώντας γίνεται φανερό πόσο πολύ επιταχύνει την κατάρρευση της τάσης μια μεταβολή στον συντελεστή ισχύος, πχ από επαγωγικό σε επαγωγικό. Η αντιστάθμιση άεργου ισχύς τοπικά με ένα χωρητικό φορτίο έχει λοιπόν ευεργετικές δράση στη προσπάθεια για διατήρηση σταθερής τάσης σε ένα ζυγό. Να τονίσουμε βέβαια ότι για όλα τα φορτία υπάρχει ένα σημείο κατάρρευσης για τα επαγωγικά όμως αυτό μπορεί να βρίσκεται και για επίπεδα τάσης ακόμα και εντός των κανονικών ορίων λειτουργίας. Σχήμα 1.13: καμπύλες χαρακτηριστικών P-V για διαφορετικούς συντελεστές ισχύος [2] 1.6 Ρύθμιση μεταφερόμενης ισχύς και FACTS Μελετώντας αναλυτικότερα τις εξισώσεις (1.2) και (1.5), βλέπουμε ότι η μεταφερόμενη ενεργός ή πραγματική ισχύς εξαρτάται κυρίως από τη γωνία ισχύος δ. Μελετώντας τις εξισώσεις (1.3) και (1.6) παρατηρούμε ότι οι απαιτήσεις σε άεργο ισχύ στην αναχώρηση και άφιξη της γραμμής είναι υπερβολικές για μεγάλες γωνίες. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η μεταφορά άεργου ισχύος εξαρτάται κυρίως από τα μέτρα των τάσεων, με φορά ροής από την υψηλότερη τάση προς τη χαμηλότερη τάση, ενώ η κατεύθυνση της ροής ενεργού ισχύος εξαρτάται από το πρόσημο της γωνίας ισχύος. Οι εξισώσεις (1.2), (1.3), (1.5) και (1.6) δείχνουν ότι η ροή ισχύος σε μια γραμμή μεταφοράς 24

39 εξαρτάται από την επαγωγική αντίδραση της γραμμής μεταφοράς, τα μέτρα των τάσεων άφιξης και αναχώρησης, και τη φασική γωνία μεταξύ των 2 αυτών τάσεων. Η βασική ιδέα σχετικά τους ελεγκτές FACTS, είναι η ικανότητα ελέγχου των παραπάνω παραμέτρων Χ, V R, V S και δ σε πραγματικό χρόνο με τη χρήση ημιαγωγών. Σε αντίθεση με το συμβατικό έλεγχο, τον οποίο θα δούμε αναλυτικότερα στη συνέχεια, που εκτελείται διαμέσου μηχανικών και ηλεκτρομηχανικών συσκευών, η χρήση των ημιαγωγών στα FACTS επιτρέπει την αντιμετώπιση δυναμικών μεταβολών της κατάστασης του συστήματος. Η ικανότητα ταχέως ελέγχου της ισχύος, μέσα στα κατάλληλα καθορισμένα όρια, μπορεί να αυξήσει την μεταβατική και δυναμική ευστάθεια, καθώς επίσης και την ικανότητα απόσβεσης των διάφορων ταλαντώσεων που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα. Για παράδειγμα, μια αύξηση ή μείωση της επαγωγικής αντίδρασης Χ της γραμμής μεταφοράς, όπως προκύπτει από τις εξισώσεις (1.2) και (1.5) μειώνει ή αυξάνει αντίστοιχα τη μέγιστη μεταφερόμενη ισχύ P max. Για δεδομένη τιμή ροής ισχύος, μια αλλαγή της επαγωγικής αντίδρασης X αλλάζει επίσης και τη γωνία δ μεταξύ των δύο άκρων. Ρυθμίζοντας τα μέτρα των τάσεων, αναχώρησης V S και άφιξης V R, μπορούμε να ρυθμίσουμε την μεταφερόμενη ισχύ της γραμμής μεταφοράς. Παρόλα αυτά, οι τιμές αυτές υποβάλλονται σε ένα στενό έλεγχο λόγω των απαιτήσεων φορτίου, μεταξύ 0,95p.u. και 1,05p.u. Αυτός ο λόγος δεν επιτρέπει στις τιμές των τάσεων να επηρεάσουν τη ροή ισχύος σε έναν ικανοποιητικό βαθμό. Μας επιτρέπει όμως όπως φαίνεται από τις εξισώσεις (1.3) και (1.5) να ρυθμίσουμε σε σημαντικό βαθμό τη άεργο ισχύ, καθώς όπως φαίνεται από τις εξισώσεις τα μέτρα των τάσεων επηρεάζουν σε σημαντικότερο βαθμό την άεργο παρά την ενεργό. Από τα παραπάνω φαίνεται καθαρά ότι τα ευέλικτα συστήματα μεταφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ροής ισχύος σε ένα δίκτυο μεταφοράς, την τοπική αντιστάθμιση άεργου ισχύος ή εναλλακτικά τον έλεγχο της τάσης σε έναν ζυγό, αλλά επίσης έχουν μια θετική επίδραση στη μεταβατική και δυναμική ευστάθεια του συστήματος. Επίσης παρέχουν τη δυνατότητα ανάκτησης εφεδρειών ενεργού και άεργου ισχύος, που βοηθάει στη διατήρηση ευστάθειας έπειτα από κάποιο σφάλμα. Τέλος μπορούν να επιδράσουν θετικά στην απόσβεση των ταλαντώσεων που προκαλούνται μετά από κάποιο σφάλμα. 25

40 26

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ FACTS 2.1 Κλασσικές μέθοδοι αντιστάθμισης Η αντιστάθμιση άεργου ισχύος είναι συχνά ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για βελτίωση τόσο της ικανότητας μεταφοράς πραγματικής ισχύος όσο και για την αποφυγή του φαινομένου της αστάθειας τάσης. Διακρίνεται σε εν σειρά ή εγκάρσια αντιστάθμιση ανάλογα με το που τοποθετείται η διάταξη που επιτελεί την αντιστάθμιση. Οι διατάξεις αποτελούνται από πυκνωτές και πηνία Ακόμα μπορούμε να διακρίνουμε σε παθητική ή ενεργό αντιστάθμιση. Εδώ ένα σύστημα ελέγχου ρυθμίζει την τάση ή άλλες μεταβλητές του συστήματος. Ακόμα χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές με ελεγχόμενο λόγο σπειρών που ελέγχουν τάση και επιτελούν φασική στροφή. Θα μελετήσουμε ξεχωριστά τις κλασσικές μορφές αντιστάθμισης, που έτσι και αλλιώς αποτελούν την βάση για τα FACTS. Θα κατηγοριοποιήσουμε ως εξής: α) σειριακή χωρητική β) εγκάρσια αντιστάθμιση άεργου ισχύος και γ) αντιστάθμιση μέσω μετασχηματιστών ρύθμισης τάσης που επιτελούν φασική στροφή. Όλες οι μορφές αντιστάθμισης επιδρούν θετικά στην στατική ευστάθεια, την μεταβατική ευστάθεια και την ευστάθεια τάσης. Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε πως επιδρά η κάθε μέθοδος μέσω γενικευμένων παραδειγμάτων Σειριακή Αντιστάθμιση Η αντιστάθμιση με πυκνωτές συνδεδεμένους εν σειρά έχει συνδεθεί με τις γραμμές μεγάλου μήκους, καθώς και με την βελτίωση της μεταβατικής ευστάθειας. Χρησιμοποιείται για να αντισταθμίσει μέρος της επαγωγικής αντίστασης της γραμμής. Εισάγουμε χωρητική αντίδραση X C και πλεον η ολική αντίδραση ισούται με Χ = X L - X C, μειώνουμε δηλαδή την ολική αντίδραση της γραμμής μεταφοράς. Για το σύστημα του σχήματος 2.1 αν τοποθετηθεί πυκνωτής σε σειρά με τη γραμμή μεταφοράς έτσι ώστε να αντισταθμίζει ποσοστό k της άεργου ισχύος που απορροφά κατά τη φόρτισή της ( k X / X ) επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση του ορίου στατικής ευστάθειας όπως φαίνεται στο 2.1.c. c 27

42 Σχήμα 2.1: a) μοντέλο 2 μηχανών, b) διανυσματικό διάγραμμα τάσεων, c) ενεργός και άεργος συναρτήσει k [10,27] Χρησιμοποιείται κυρίως σε μεγάλου μήκους γραμμές και για να τροποποιήσει το φορτίο μεταξύ παράλληλων γραμμών. Η αντιστάθμιση δεν υπερβαίνει στη πράξη το 80% γιατί πλησιάζει το συντονισμό με τη συχνότητα των 50Hz. Για την ασφαλή λειτουργία απαιτείται η χρησιμοποιήση αυτομάτων συσκευών προστασίας οι οποίες θα εκτρέπουν τα υψηλά ρεύματα κατά τη διάρκεια σφαλμάτων και θα επανεισαγάγουν τους πυκνωτές στο κύκλωμα μετα το πέρας τους. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι σειριακοί πυκνωτές δημιουργούν κυκλώματα συντονισμού τα οποία μπορεί να διεγείρουν ταλαντώσεις χαμηλής συχνότητας, ένα φαινόμενο που ονομάζεται υποσύγχρονος συντονισμός. Οι ταλαντώσεις αυτές μπορούν να προκαλέσουν μέχρι και καταστροφή των αξόνων των στροβίλων των γεννητριών. 28

43 Σχήμα 2.2: Τράπεζες πυκνωτών υψηλής τάσης [2] Εγκάρσια Αντιστάθμιση Η εγκάρσια αντιστάθμιση ξεκίνησε αρχικά με τη χρήση εγκάρσιων πυκνωτών για τις περιόδους μεγάλου φορτίου και με εγκάρσιες επαγωγές για τις περιόδους χαμηλού φορτίου (αντίστοιχα έλλειψη και περίσσεια άεργου ισχύος). Στην περίπτωση του συστήματος στο σχήμα 2.3 που είναι παρόμοιο με πριν θεωρούμε ένα απλό μοντέλο 2 μηχανών σε γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους χωρίς απώλειες, με ιδανικό αντισταθμιστή άεργου στο μέσο ( πχ στρεφόμενος πυκνωτής), ο οποίος διατηρεί την τάση στο σημείο σύνδεσης σταθερή. Έχουμε λοιπόν VS Vm VR. 29

44 Σχήμα 2.3:a) μοντέλο 2 μηχανών με αντισταθμιστή σε γραμμή μεταφοράς, b) διανυσματικό διάγραμμα τάσεων, c) ενεργός και άεργος με και χωρίς αντιστάθμιση [10,27] Εύκολα παρατηρούμε ότι με τη βοήθεια της σειριακής αντιστάθμισης πετυχαίνουμε αύξηση του VS VR στατικού ορίου ευστάθειας σύμφωνα με τον τύπο Pmax sin, ενώ αυτό μπορεί μέχρι και X να διπλασιασθεί, βέβαια αυξάνεται σημαντικά η απαίτηση παροχής άεργου ισχύος τόσο από τον αντισταθμιστή όσο και από τις γεννήτριες των 2 ζυγών. Σε περιόδους υψηλού φορτίου χρησιμοποιούμαι τους εγκάρσιους πυκνωτές ώστε να παρέχουν μέρος της αέργου ισχύος που ζητείται και να μειωθεί συνεπώς η άεργος ισχύς που μεταφέρεται μέσω της γραμμής, κρατώντας την τάση στα επιθυμητά όρια. Οι εγκάρσιοι πυκνωτές συνδέονται είτε απευθείας στους ζυγούς την τάση των οποίων θέλουμε να ελέγξουμε ή στο τριτεύον τύλιγμα των μετασχηματιστών ισχύος. Παρουσιάζουν όμως το μειoνέκτημα ότι σε περίπτωση που η 30

45 γραμμή είναι ελαφριά φορτισμένη ή λειτουργεί χωρις φορτίο προκαλούν σοβαρή ανύψωση της τάσης. Για αυτό το λόγο η συστοιχία πυκνωτών που συνδέεται διαθέτει τόσο σταθερά όσο και μεταβλητά στοιχεία. Με την ανύψωση ή την πτώση της τάσης τα μεταβλητά στοιχεία αφαιρούνται ή προστίθενται στην συστοιχία για να μειώσουν ή να αυξήσουν αντίστοιχα τη συνολική χωρητικότητα. Αντιθέτως, στις περιόδους χαμηλού φορτίου λόγω της εγκάρσιας χωρητικότητας των γραμμών και ιδιαίτερα των καλωδίων προκύπτει περίσσεια αέργου ισχύος, οπότε συνδέουμε σε ορισμένα σημεία επαγωγές οι οποίες καταναλώνουν αέργο ισχύ, εμποδίζοντας έτσι την υποερβολική ανύψωση της τάσης. Στη σημερινή εποχή, με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και των σύγχρονων συστημάτων ελέγχου, οι εγκάρσιοι πυκνωτές και τα πηνία έχουν αντικατασταθεί σε πολλές περιπτώσεις από πλήρως αξιόπιστες συσκευές αντιστάθμισης όπως είναι οι στατικοί αντισταθμιστές αέργου ισχύος SVCs και οι σύγχρονοι αντισταθμιστές Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Πολλές φορές για να βελτιώσουμε την ικανότητα μεταφοράς ενός διασυνδεδεμένου ΣΗΕ χρειάζεται να μειώσουμε την κυκλοφορία ισχύος σε βρόγχους ή να εκτρέψουμε την ισχύ από γραμμές που λειτουργούν κοντά στα όρια στατικής ευστάθειας προς άλλες παράλληλες με μεγαλύτερα όρια. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται με της στροφής της φάσεως της τάσεως μέσω μετασχηματιστών που φέρουν κατάλληλα τυλίγματα. Στο σχήμα 2.4 φαίνεται η επίδραση στην μεταφερόμενη ισχύ ενός απλού συστήματος με 2 ζυγούς η ρύθμιση της φάσης της τάσεως με ΜΣ. 31

46 Σχήμα 2.4: a) σύστημα 2 ζυγών, b) διανυσματικό διάγραμμα τάσεων, c) ενεργός ισχύς [10,27] Οι ΜΣ εγχέουν μια τάση μικρού μέτρου και ρυθμιζόμενης φασικής γωνίας εν σειρά με τη γραμμή μεταφοράς. Η μεταβολή που προκαλούν στην τάση στο σημείο σύνδεσης, παρόλο που είναι συνήθως μικρή, προκαλεί δραστική επίδραση στην ισχύ που ρέει στη γραμμή μεταφοράς στην οποία παρεμβάλλεται ένας τέτοιος μετασχηματιστής. Η τάση που προκαλείται από αυτές τις συσκευές μπορεί γενικά να ελέγχεται και ως προς το μέτρο και ως προς τη φασική γωνία. Ρυθμίζοντας το μέτρο V ελέγχουμε την ροή άεργου ισχύος μέσω αυτής ενώ ρυθμίζοντας τη φασική της γωνία πραγματοποιούμε έλεγχο πραγματικής ισχύος. Στις διατάξεις που χρησιμοποιούνται στην πράξη η V συνήθως προηγείται ή καθυστερεί 90 ο της τάσης αναχώρησης. Ένα συνηθισμένο phase shifter αποτελείται από μηχανικούς διακόπτες, οι οποίοι είναι συνήθως ενσωματωμένοι στο μετασχηματιστή διέγερσης και μπορεί να μεταβάλλει την γωνία μεταξύ -30 ο και 30 ο- με βήμα 1 ή μοιρών. Για σχετικά μικρές μεταβολές της γωνίας, η αλλαγή στη γωνία είναι περίπου ανάλογη της εγχεόμενης τάσης. Τα κύρια τεχνικά μειονεκτήματα του τυπικού phase shifter είναι : 32

47 Αργή απόκριση λόγω αδράνειας των μηχανικών διακοπτών. Μειωμένα όρια ζωής και απαίτηση για διατήρηση της συχνότητας σχετικά με την μηχανική καταπόνηση και τη γήρανση του λαδιού. 2.2 Ανεπάρκεια κλασσικών μεθόδων Οι πρώτες μορφές αντιστάθμισης που εμφανίστηκαν ελέγχονταν μηχανικά, με αποτέλεσμα να είναι σχετικά αργές. Ενώ λοιπόν παρουσίαζαν μεγάλη χρησιμότητα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του εκάστοτε συστήματος, παρουσίαζαν μεγάλους χρόνους αποκρίσεις με αποτέλεσμα να μην προσφέρουν δυναμικό έλεγχο και να μην ελαχιστοποιούν τις ταλαντώσεις σε μεταβατικές καταστάσεις. Εάν η τεχνολογία επέτρεπε την κατασκευή μηχανικών συστημάτων ελέγχου με γρήγορη απόκριση θα μπορούσαμε να έχουμε πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων του συστήματος, καλύτερα όρια ευστάθειας και αυξημένη ασφάλεια. Λόγω λοιπόν αυξημένης αδράνειας που παρουσιάζουν τα κινούμενα ηλεκτρομηχανικά τμήματα, ενώ η συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων γίνεται ταχύτατα, η διαδικασία αντιστάθμισης καθυστερεί σημαντικά. Αυτό οδηγεί στην αδυναμία εφαρμογής ουσιαστικού ελέγχου σε μεταβατικές/δυναμικές καταστάσεις και περιορισμό της χρησιμότητας των κλασσικών μεθόδων μόνο στις μόνιμες καταστάσεις του συστήματος. Ακόμα οι μηχανικές καταπονήσεις αυξάνουν το κόστος συντήρησης, ενώ ένα ακόμα βασικό μειονέκτημα είναι ότι η άεργος ισχύς ελέγχονται ασυνεχώς (κατά βήματα) και μόνο ως προς τη θετική κατεύθυνση. Αυτό οφείλεται στο ότι με την αποσύνδεση/επανασύνδεση πυκνωτών στην γραμμή μεταφοράς, ουσιαστικά εισάγουμε ή εξάγουμε σταθερές ποσότητες χωρητικές ποσότητες, άρα και η άεργος ισχύς παρουσιάζει σκαλοπάτια στην αντιστάθμισή της Η αδυναμία λοιπόν των κλασσικών μεθόδων αντιστάθμισης να προσφέρουν έλεγχο σε μεταβατικές καταστάσεις, όπου η παρουσία του είναι αναγκαία για την αξιόπιστη λειτουργεία του συστήματος, οδήγησε στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των Ευέλικτων Συστημάτων Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος ή με την αγγλική συντομογραφία, FACTS, με την οποία ξεπεράσαμε τους περιορισμούς που επέβαλλαν οι κλασσικές μέθοδοι. 33

48 2.3 Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος ( FACTS) Ως Ευέλικτα Συστήματα Μεταφοράς Εναλλασσόμενου Ρεύματος (FACTS) ορίζουμε τις διατάξεις ελέγχου σημαντικής ισχύος (εως μερικές εκατοντάδες MVA) που ενατάσουν την χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος με σκοπό τον καλύτερο έλεγχο, μεγαλύτερη αξιοποιήση και επέκταση των δυνατοτήτων μεταφοράς ενέργειας. η έννοια των FACTS, σαν καθολική φιλοσοφία ελέγχου εισήχθει το 1988 από τον Dr N.G. Hingorani του EPRI (Ινστιτούτο Έρευνας Ηλεκτρικής Ισχύος) των ΗΠΑ. Όπως προείδαμε η μεγάλη πρόκληση των σύγχρονων ΣΗΕ είναι η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας και η δημουργία ενός δικτύου που θα προσφέρει ελευθερία στους προμηθευτές, καταναλωτές και τους εκάστοτε φορείς της αγοράς. Σκοπός της απελευθέρωσης είναι η μείωση του κόστους παραγωγής και η δυνατότητα του καταναλωτή να επιλέγει ο ίδιος τον προμηθευτή που επιθυμεί. Με τα νέα δεδομένα που παρουσίαζονται δημουργείται μαι νέα γεωγραφική κατανομή περιοχών όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια αλλά παράλληλα δημιουργήται η ανομοιογενής παραγωγή και ζήτηση της. Αυτή η ανομοιογένεια έχει επιδεινώσει αρκετά τα υπάρχοντα προβλήματα των ενεργειακών δικτύων, όπως η υπερφόρτιση των γραμμών μεταφοράς, η διαφοροποίηση του μέτρου της τάσης από τις ονομαστικές τιμές στους ζυγούς του ΣΗΕ αλλά και το όριο μεταβατικής ευστάθειας. Ως εκ τούτου, για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων δεν μπορούμε καθαρά από άποψη δαπανών και γεωγραφικών περιορισμών να καταφύγουμε στην λύση της εγκατάστασης και όδευσης νέων γραμμών μεταφοράς. Η πρόκληση επομένως της υπερπήδησης αυτών των εμποδίων καθώς και των απαιτήσεων που αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους η τεχνολογία των FACTS γνώρισε τέτοια διάδοση. Πέρα από την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκύπταν απο την χρήση μηχανικών διακοπτών στις διατάξεις αντιστάθμισης τα FACTS συνεισφέρουν θετικά και στον περιορισμό άλλων προβλημάτων που παρουσιάζονται στα σύγχρονα ΣΗΕ όπως: Βελτίωση ποιότητας παρεχόμενης ισχύς και αντιμετώπιση βυθίσεων, διαταραχών, μονιμων και μεταβατικών υπερτάσεων και λοιπών προβλημάτων που εμφανίζονται. Προβλήματα ευστάθειας. Απουσία μακροπρόθεσμου σχεδιασμού. 34

49 Επηρεασμός των βασικών χαρακτηριστικών του δικτύου από την ύπαρξη πολλών ηλεκτρικών εταιρειών παραγωγής. Τα FACTS βασίζονται στην ικανότητα τους να μεταβάλλουν τις παραμέτρους της γραμμής μεταφοράς που επηρεάζουν τη ροη ισχύος στη όπως η σύνθετη αντίσταση της γραμμής, τα μέτρα των τάσεων αναχώρησης και άφιξης και τη φασική τους γωνία, με τελικό σκοπό: Την πλήρη έλεγχο ροής πραγματικής και άεργου ισχύος μέσω της γραμμής ώστε να ρέει στους προδιαγεγραμμένους δρόμους μεταφοράς, χωρίς να παρουσιάζει παράλληλες ή βρογχοειδής ροές. Κατά το δυνατόν πληρέστερη αξιοποίηση του συστήματος μεταφοράς ώστε οι γραμμές μεταφοράς να δουλεύουν κοντά στο θερμικό τους όριο. Βελτίωση της ικανότητας μεταφοράς ενέργειας ανάμεσα σε διασυνδεδεμένα ΣΗΕ ώστε η θερμή εφεδρεία να μειωθεί στο 15% ή λιγότερο, από το 18% που βρίσκεται σήμερα. Να δώσουν την δυνατότητα ελέγχου σε δυναμικές καταστάσεις Απόσβεση ταλαντώσεων ισχύος που καταπονούν τον εξοπλισμό. Περιορισμό των ρευμάτων βραχυκύκλωσης και σφαλμάτων συσκευών με σκοπό την αποφυγή αλυσιδωτών αποσυνδέσεων τμημάτων δικτύου ή συσκευών. Να τονιστεί εδώ ότι μέρος των πλεονεκτημάτων και του κέρδους αντισταθμίζεται από το κόστος των ηλεκτρονικών ελεγκτών, που βρίσκεται στο διάστημα ($50-$100)/KVA για αυτούς που χρησιμοποιούν θυρίστορ. Το κόστος ελαττώνεται με την αύξηση του μεγέθους και τη διεύρυνση της χρήσης τους. Από πλευρά δομής διακρίνουμε δυο μεγάλες κατηγορίες: 1.Μετατροπείς που επιτρέπουν την εύελικτη διαχείριση συνιστωσών, όπως πηνίων ή πυκνωτών ή μετασχηματιστών με ρύθμιση φάσεως. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα στατά συστήματα ελέγχου άεργου ισχύος (Static Var Compensators, SVC), οι ελεγχόμενοι αντισταθμιστές σειράς (Thyristor Controlled Series Capacitors, TCSC) και οι ρυθμιστές γωνίας φάσεως (Phase Shifters, PS). Οι μετατροπείς των διατάξεων αυτών χρησιμοποιούν θυρίστορ (ημιαγωγικά στοιχεία χωρίς δυνατότητα εξαναγκασμένης σβέσης) και απλώς επιτυγχάνουν γρηγορότερες αποκρίσεις ζεύξης από τους κλασικούς διακόπτες. 2. Μετατροπείς που υλοποιούν ελεγχόμενες πηγές τάσεως ή ρεύματος και χρησιμοποιούν συνήθως GTO (Gate Turn Off thyristors) δηλαδή ημιαγωγικά στοιχεία με δυνατότητα 35

50 εξαναγκασμένης σβέσης. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι ελεγχόμενοι σύγχρονοι αντισταθμιστές σειράς (STATic synchronous COMpensators, STATCOM), οι ελεγχόμενοι σύγχρονοι αντισταθμιστές σειράς (Static Synchronoys Series Compensators, SSSC), οι ρυθμιστές ροής ισχύος μεταξύ των γραμμών μεταφοράς (Interline Power Flow Controllers, IPFC) και οι ενοποιημένοι ρυθμιστές ροής ισχύος (Unified Power Flow Controllers, UPFC) που αποτελούν και το κύριο αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής. 2.4 FACTS ελεγχόμενα από θυρίστορ Τα συστήματα αυτά είναι παρόμοια με συστοιχίες πυκνωτών ή πηνίωνμε διακοπιτκή ζεύξη και με μετασχηματιστές με μηχανική αλλαγή λήψεως γωνίας, παρουσιάζουν όμως πολύ ταχύτερη απόκριση και καλύτερο έλεγχο, εξαιτίας της αντικατάστασης των μηχανικών διακοπτών με ηλεκτρονικά ισχύος. Όπως και στις κλασικές μεθόδους αντιστάθμισης, επιδρούν σε μια διαφορετική παράμετρο της γραμμής μεταφοράς (τάση, εν σειρά αντίδραση, φασική γωνία). Τα μελετάμε και αυτά ανάλογα με τη μέθοδο αντιστάθμισης σε : α) εγκάρσιας, β) σειράς και γ) ρύθμιση φασικής γωνίας Επαγωγές ή χωρητικότητες ελεγχόμενες από θυρίστορ Βαθμίδες πηνίων (TCRs-Thyristor Controled Reactors) ή βαθμίδες πυκνωτών (TSCs-Thyristor Switched Capacitors) ελεγχόμενων από θυρίστορ, συμπεριφέρνονται σαν μεταβλητές παράμετροι με πολύ γρήγορες μεταβολές στην παροχή ή απορρόφηση άεργου ισχύος. Αποτελλούν το βασικό κομμάτι των στατών συστημάτων ελέγχου άεργου. 36

51 Σχήμα 2.5.1:Επαγωγή ελεγχόμενη από αντιπαράλληλα thyristor [2] Σχήμα 2.5.2:Επαγωγή ελεγχόμενη από αντιπαράλληλα thyristor [2] Χρησιμοποιείται ένας διακόπτης με αντιπαράλληλα θυρίστορ. Αν η αντίσταση του πηνίου ή του πυκνωτή ανάλογα με την περίπτωση θεωρηθεί αμελητέα, το ρεύμα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας θα είναι συνάρτηση της γωνίας έναυσης (καθυστέρησης να άγει) του thyristor. Χρησιμοποιείται η ίδια γωνία και για τα δύο thyristor. Τα Thyristor άγουν στους μισούς κύκλους εναλλάξ. Εάν η έναυση αρχίζει στις 90 ο του κύκλου της τάσης έχουμε συνεχή αγωγή. Έχουμε μερική αγωγή για γωνίες έναυσης 90 ο >α>180 ο. 37

52 2.4.2 Εγκάρσια Αντιστάθμιση-Στατικός Αντισταθμιστής Άεργου Ισχύος (SVC) Το SVC θεωρείται ως μια εγκάρσια σύνθετη αντίσταση (ιδανικός πυκνωτής ή πηνίο) με ρυθμιζόμενο ρεύμα αντιστάθμισης. Το SVC έχει δυνατότηα παροχής ή απορρόφησης άεργου ισχύος στο σημείο διασύνδεσης του. Αποτελείται από βαθμίδες πυκνωτών και πηνίων ελεγχόμενων από θυρίστορ, δηλαδή TCR και TSC. Σχήμα 2.6:Τυπική μορφή SVC [10] 38

53 Σχήμα 2.7:Χαρακτηριστική V-I του SVC [10] Ελέγχοντας τις γωνίες έναυσης των θυρίστορ καθορίζουμε το ποσό της άεργου ισχύος που εγχέει ή απορροφά ο SVC παίρνοντας όπως φαινεται στην V-I χαρακτηριστική λειτουργίας του όλες τις ενδιαμέσες τιμές με εύρος από πλήρως χωρητική σε πλήρως επαγωγική λειτουργεία. Η εγκάρσια παρεχόμενη αντιστάθμιση είναι συνάρτηση της τασεως της γραμμής. Το SVC λοιπόν φροντίζει για την ενίσχυση της τάσεως, αλλά χρησιμοποιείται ακόμα και για τη βελτίωση της μεταβατικής και δυναμικής ευστάθειας, λόγω αυξήσεως της μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος. Στα πλεονεκτήματα του προστίθεται το ότι είναι γρήγορας την απόκριση του, παρέχει ικανοποιητικό έλεγχο, βοηθάει στην απόσβεση ταλαντώσεων και ταχύτατη αποσύνδεση/αποσύνδεση των πυκνωτών χωρίς μεταβατικές υπερτάσεις για αποκατάσταση του συστήματος μετά την εκκαθάριση βραχυκυκλωμάτων. Η εγκάρσια χωρητική αντιστάθμιση συνδυασμένη με τον επαγωγικό χαρακτήρα του συστήματος έχει ως αποτέλεσμα τον συντονισμό του δικτύου με συχνότητα μεγαλύτερη της θεμελιωδούς, η οποία μπορεί να βρίσκεται κοντά στις αρμονικές του δικτύου και του SVC. Για την αποφυγή του συντονισμού πρέπει να προστεθεί LC φίλτρο, κάτι που ανεβάζει φυσικά το κόστος. Επιπρόσθετα το SVC δεν μπορεί να ελέγξει τη ροή πραγματικής ισχύος και η ποσότητα της αέργου ισχύος που παρέχει είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης με αποτέλεσμα να είναι σχετικά μικρή σε περιπτώσεις βυθίσεων τάσης, τότε δηλαδή που το σύστημα την έχει περισσότερο ανάγκη. Η ύπαρξη κυρίως του 39

54 δεύτερου μειονεκτήματος οδήγησε στη σχεδίαση του στατικού σύγχρονου αντισταθμιστή (STATCOM) ο οποίος παρέχει άεργο ισχύ ίση με το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα. Σχήμα 2.8: σταθμός SVC στο Λονδίνο [2] Σειριακή αντιστάθμιση Πυκνωτής σειράς ελεγχόμενος με θυρίστορ (TCSC) Η λειτουργία της συμβατικής χωρικής αντιστάθμισης σειράς έγκειται στην παραγωγή μιας κατάλληλης τάσεως στη θεμελιώδη συχνότητα, ώστε να αυξηθεί η τάση κατά μήκος της επαγωγικής αντίδτασης της γραμμής, το ρεύμα στη γραμμή και η μεταφερόμενη ισχύς. Αυτό έχει το ίδιο ηλεκτρικό αποτέλεσμα, με το να μειωνόταν η εν-σειρά αντίδραση της γραμμής, δηλαή να μίκραινε η γραμμή. Οι δυο βασικοί τρόποι είναι: α) για μικρούς χρόνους σύνδεσης-αποσύνδεσης χρησιμοποιούνται TSSC, ενώ β) για συνεχή ρύθμιση της ενεργού μιγαδικής αντίστασης της γραμμής παράλληλα με τον πυκνωτή τοποθετείται επαγωγή σε σειρά με αντιπαράλληλα θυρίστορ των οποίων ελέγχουμε τη γωνία έναυσης (διάταξη TCSC). 40

55 (β) Σχήμα 2.9: (α) Αντιστάθμιση με πυκνωτές σειράς ελεγχόμενους από θυρίστορ (TSSC) [10] (β) Αντιστάθμιση με πηνίο ελεγχόμενο από θυρίστορ παράλληλα με πυκνωτές σειράς (TCSC) [10] Όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7 α ο βαθμός αντιστάθμισης μπορεί να ελεγχεί με αύξηση ή μείωση του αριθμού βαθμίδων των πυκνωτών, με είσοδο ή παράκαμψη κάθε πυκνωτή μέσω βαλβίδας Ο TCSC μεταβάλλει συνεχώς την εν σειρά επαγωγική αντίδραση της γραμμής, μπορεί επομένως να σε περιόδους υπερφόρτισης να δουλέυει σε χωριτική λειτουργεία προσφέροντας άεργο ισχύ ή να δουλεύει σε επαγωγική λειτουργεία σε περιόδους υποφόρτισης και να απορροφά. Επιπρόσθετα βοηθάει στην απόσβεση ταλαντώσεων, προσφέρει έλεγχο μεταβατικής ευστάθειας, περιορίζει τους υποσύγχρονους συντονισμου και περιορίζει το ρεύμα βραχυκύκλωσης σε περίπτωση σφάλματος.η χωριτική αντίδραση σειράς όμως έχει ως αποτέλεσμα τον ηλεκτρικό συντονισμό του δικτύου με συχνότητα μικρότερη της θεμελιωδούς, που πιθανόν να αλληλεπιδράσει με τις μηχανικές ταλαντώσεις των γεννητριών που τροφοδοτούν τη γραμμή, προκαλώντας υποσύγχρονες 41

56 ταλαντώσεις. Προς αποφυγή αυτού του προβλήματος πρέπει να ρυθμίζονται κατάλληλα οι βαλβίδες των θυρίστορ στα TCSC Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Μπορούμε να βελτιώσουμε όπως είδαμε την ικανότητα μεταφοράς ενός ΣΗΕ μειώνοντας την κυκλοφορία ισχύος σε βρόχους ή εκτρέποντας τη ροή ισχύος από γραμμές που λειτουργούν στα όρια στατικής ευστάθειας προς παράλληλες γραμμές με μεγαλύτερα περιθώρια, χρησιμοποιώντας στροφή φάσης (phase shifting) της τάσεως. Ο ελεγχόμενος με θυρίστορ ρυθμιστής φασικής γωνίας (Thyristor Controlled Phase angle regulators ή TCPAR) βρίσκεται υπό θεωρητική και πειραματική διερεύνηση, και έχουν προταθεί διάφορες μορφές του. Παρόλο που έχουν προταθεί κυκλώματα με πλήρη ρύθμιση της τάσης που εισάγει στη γραμμή, τα κυκλώματα για ρύθμιση μόνο του μέτρου και φασικής γωνίας 90 ο έχουν επικρατήσει λόγω απλότητας, που μειώνει το μέγεθος, προδιαγραφές, κόστος και απώλειες. Επίσης ο TCPAR δεν παράγει άεργο ισχύ, όλη η άεργος που εισάγεται στη γραμμή ως αποτέλεσμα της φασικής στροφής απορροφάται από τον ζυγό για αυτό και πρέπει να συνδέεται σε αρκετά ισχυρό ζυγό. Σχήμα 2.10: Διάταξη TCPAR [22] 42

57 2.5 FACTS ελεγχόμενα από μετατροπείς ισχύος Η δεύτερη κατηγορία των FACTS πρόκειται για ελεγχόμενες σύγχρονες πηγές εναλλασσόμενης τάσης ή ρεύματος (SVS/SCS-Synchronous Voltage/Current Sources). Με εξαίρεση την αντιστάθμιση άεργου ισχύς, παρουσίαζουν πολύ ανώτερη λειτουργικότητα για κάθε είδος αντιστάθμισης σε σχέση με τα FACTS ελεγχόμενα από θυρίστορ. Εξασφαλίζουν έτσι πιο ευέλικτη διαχείριση ροής ισχύος και αντιμετώπιση δυναμικών διαταραχών. Βασικό στοιχείο τους αποτελούν οι μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής VSC (Voltage Source Converter) στους οποίους θα αναφερθούμε διεξωδικά στο επόμενο κεφάλαιο. Στην πράξη οι μετατροπείς δημιουργούν μια πηγή τάσης (ή ρεύματος) ανάλογη με μια ιδανική στρεφόμενη μηχανή, η οποία παράγει ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα τάσεων στη θεμελιώδη συχνότητα, με ελεγχόμενο πλάτος και φάση. Η μηχανή αυτή δρα χωρίς αδράνεια, παρουσιάζει τάχιστη απόκριση, δεν αλλάζει σημαντικά τη σύνθετη αντίσταση του δικτύου και μπορεί να παράγει άεργο ισχύ (χωρητική και επαγωγική). Ακόμα μας δίνει τη δυνατότητα ανταλλαγής ενεργού ισχύος με το δίκτυο, εαν διασυνδεθεί με μια κατάλληλη πηγή ενέργειας η οποία θα μπορεί να παρέχει ή να απορροφά την ισχύ που το SVS παρέχει ή απορροφά από το δίκτυο. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν ο Στατικός Σύγχρονος Αντισταθμιστής (STATCOM), ο Στατικός Σύγχρονος Σειριακός Αντισταθμιστής (SSSC) και ο Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος (UPFC) Εγκάρσια αντιστάθμιση Στατικός Σύγχρονος Αντισταθμιστής (STATCOM) Το STATCOM αποτελεί την πιο εξελιγμένη μορφή εγκάρσιας αντιστάθμισης. Είναι μια προέκταση του SVC βασισμένη σε dc-ac μετατροπείς, οι οποίοι παράγουν μια εναλλασσόμενη τάση (ή ρεύμα) από μια συνεχή τάση (ή ρεύμα) συνήθως με τη μέθοδο SPWM. 43

58 Σχήμα 2.11: διάγραμμα STATCOM [22] Βασική του λειτουργία είναι η ρύθμιση της τάσης στη γραμμή μέσω της εγκάρσιας άεργης αντιστάθμισης. Ο συγκεκριμένος αντισταθμιστής επιτυγχάνει έλεγχο της τάσης σε μόνιμες, μεταβατικές και δυναμικές συνθήκες λειτουργίας, αντιμετωπίζει τις γρήγορες διακυμάνσεις της τασης, συμβάλλει στην απόσβεση των ταλαντώσεων ισχύος και μπορεί να αποτρέψει τον υπερσύγχρονο συντονισμό. Η άεργος ισχύς στην έξοδο του δεν επηρεάζεται από μεταβολές στην τάση του συστήματος με αποτέλεσμα καλύτερο έλεγχο συγκεκριμένων παραμέτρων του συστήματος όπως η τάση ή η απόσβεση ταλαντώσεων, ενώ είναι ίση με το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα. Έτσι, όταν βυθίζεται η τάση του, εκμεταλλευόμενος την δυνατότητα υπερεύματος που έχει, μπορεί να τροφοδοτεί σημαντικό ποσό αέργου ισχύος. Επιπλέον, όταν διαθέτει σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, μπορεί να τροφοδοτεί το σύστημα με πραγματική ισχύ για μικρό χρονικό διάστημα. Βασικό του μειονέκτημα προς το παρόν είναι ότι η κατασκευή του απαιτεί τη χρήση ηλεκτρονικών διακοπτικών στοιχείων με δυνατότητες ελέγχου του χρόνου σβέσης, που επί του παρόντος δεν συνδυάζουν μεγάλη ισχύ χειρισμού ισχύος, μεγάλη συχνότητα αναβοσβησίματος (στην περιοχή των ΚΗz), μικρές απώλειες και λογικό κόστος. 44

59 2.5.2 Σειριακή αντιστάθμιση Στατικός Σύγχρονος Σειριακός Αντισταθμιστής (SSSC) Η λειτουργία της συμβατικής χωρικής αντιστάθμισης σειράς έγκειται στην παραγωγή μιας κατάλληλης τάσεως στη θεμελιώδη συχνότητα, ώστε να αυξηθεί η τάση κατά μήκος της επαγωγικής αντίδτασης της γραμμής, το ρεύμα στη γραμμή και η μεταφερόμενη ισχύς. Αυτό έχει το ίδιο ηλεκτρικό αποτέλεσμα, με το να μειωνόταν η εν-σειρά αντίδραση της γραμμής, δηλαdή να μίκραινε η γραμμή. Για το λόγο αυτό, εαν εγχύσουμε μια τάση στη θεμελιώδη συχνότητα εν-σειρά με τη γραμμή και η τάση προηγήται 90 ο του ρεύματος γραμμής και έχει ανάλογο πλάτος, τότε πετυχαίνουμε αντιστάθμιση ισοδύναμη, τότε πετυχαίνουμε αντιστάθμιση ισοδύναμη με έναν πυκνωτή συνδεδεμένο σε σειρά με τη γραμμή. Σχήμα 2.12: SSSC [10] Η αντιστάθμιση σειράς με σύγχρονες πηγές, όπως ο SSSC, και μετατροπείς ισχύος, έχει τη δυνατότητα να διατηρεί μια σταθερή εγχεόμενη τάση αντιστάθισης ή και να ελέγχει το μέτρο της, ανεξάρτητα από το μέτρο του ρεύματος της γραμμής. Ο SSSC αποτελεί το πλέον σύγχρονο μοντέλο για τον συνεχή έλεγχο της ενεργού μιγαδικής αντίστασης της γραμμής. Παρέχει αντιστάθμιση σειράς, με άμεσο έλεγχο της τάσης κατά μήκος της γραμμής. Συνοπτικά τα θετικά της λειτουργίας του είναι : έλεγχος μεταφερόμενης ενεργού και άεργου ισχύος, αντιστάθμιση άεργου, έλεγχος τάσης, απόσβεση ταλαντώσεων, μεταβατική ευστάθεια και μείωση ρεύματος σφαλμάτων. Αποτελείται από έναν αντιστροφέα πηγής τάσης συνδεδεμένο σε σειρά με τη γραμμή μεταφοράς 45

60 μέσω μετασχηματιστή. Ως διακοπτικά στοιχεία χρησιμοποιεί GTO θυρίστορ για τον έλεγχο και της σβέσης εκτός από την έναυση. Στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος βρίσκεται μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, όπως υψηλής ενεργειακής πυκνότητας πυκνωτές, μπαταρίες, υπεραγώγιμα πηνία, σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη έδραση και ενεργειακά κύτταρα. Ένας SSSC με πυκνωτή παρέχει στην έξοδο του μια ελεγχόμενου μέτρου τάση, που παρουσιάζει μία γωνία σε σχέση με το ρεύμα γραμμής περίπου ± 90 ο και μεταβάλλει τη λειτουργία από καθαρά χωρητική σε καθαρά επαγωγική ανάλογα την ανάγκη. Ακόμα αν ο πυκνωτής αποθήκευσης ενέργειας αντικατασταθεί με σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, τότε ο SSSC μπορεί να ανταλλάσει και ενεργό ισχύ με το σύστημα μεταφοράς. Θα μπορούσαμε ακόμα να συνδέσουμε το SSSC μέσω ενός πυκνωτή με ένα STATCOM το οποίο θα παρέχει την απαιτούμενη ενεργό ισχύ Ρύθμιση Φασικής Γωνίας Ενοποιημένος Ελεγκτής Ροής Ισχύος (UPFC) O ενοποιημένος ελεγκτής ροής ισχύος UPFC είναι το πιο εξελιγμένο μοντέλο στην οικογένεια των FACTS. Συνδιάζοντας τον STATCOM και τον SSSC σε μια συσκευή με κοινό σύστημα ελέγχου δίνει την μοναδική ικανότητα να ελέγχονται και οι 3 παράμετροι ταυτόχρονα ή επιλεκτικά της γραμμής μεταφοράς (τάση, σύνθετη αντίσταση και γωνία) ή εναλλακτικά να ελέγχεται η ενεργός και η άεργος ροή ισχύος ανεξάρτητα. Τα κύρια θετικά που προσφέρει η λειτουργία του είναι : έλεγχος μεταφερόμενης ισχύς, αντιστάθμιση άεργου, έλεγχος τάσης, απόσβεση ταλαντώσεων, μεταβατική ευστάθεια και μείωση ρεύματος σφαλμάτων. Ο UPFC αποτελείται από δύο μετατροπείς πηγής τάσης. Ο ένας μετατροπέας παράγει μία τάση μεταβλητού μέτρου και γωνίας που εισάγεται σε σειρά στη γραμμή, ενώ ο δεύτερος μετατροπέας παρέχει στον πυκνωτή του μοντέλου την ισχύ που απαιτείται για τη λειτουργία του πρώτου μετατροπέα. Με βάση τη δυνατότητα ρύθμισης τόσο του μέτρου όσο και της γωνίας της παρεχόμενης τάσης, ο UPFC μπορεί να ελέγχει και τις τρεις παραμέτρους σχετικά με τη ροή ισχύος σε μία γραμμή μεταφοράς, δηλαδή το μέτρο και τη γωνία της τάσης γραμμής, καθώς και την αντίδραση της. Ο UPFC αποτελεί και το κύριο αντικείμενο μελέτης αυτής της εργασίας και θα αναλυθεί διεξωδικά στο Κεφάλαιο 4. 46

61 Σχήμα 2.13: διάγραμμα UPFC [2] Γενικότερα οι αντισταθμιστές αυτής της κατηγορίας υπερτερούν με τους αντισταθμιστές ελεγχόμενους από θυρίστορ και παρέχουν ταχύτερο έλεγχο σε όλους τους τομείς. Ο STATCOM και ο UPFC προσφέρουν ταχύτερο έλεγχο του πλάτους της τάσης, ο SSSC και ο UPFC της επαγωγικής αντίδρασης και ο UPFC της γωνίας ισχύος. Ακόμα οι αντισταθμιστές αυτοί είναι οι μόνοι που προσφέρουν δυνατότητα απευθείας ανταλλαγής πραγματικής ισχύος με το δίκτυο, ανεξάρτητα από την αντιστάθμιση της άεργου ισχύος, γεγονός που τους καθιστά εξαιρετικά χρήσιμους σε περίπτωση σφάλματος. 47

62 48

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΜΕΤΑΡΟΠΕΙΣ ΠΗΓΗΣ ΤΑΣΗΣ 3.1 Εισαγωγή Όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο βασικό στοιχείο των σύγχρονων FACTS αποτελούν οι αποτελούν οι μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής οι οποίοι υλοποιούν στην πράξη μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος ή τάσης. Στους μετατροπείς αυτούς γίνεται χρήση ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος, όπως τα θυρίστορ, τα τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) και τα θυρίστορ με ελεγχόμενη σβέση (GTO). Τα ημιαγωγικά στοιχεία αυτά διαθέτουν ιδιαίτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά οπως: οι υψηλές τάσεις διάσπασης, διεύλεση υψηλών ρευμάτων, μικρές αντιστάσεις αγωγής και μικροί διακοπτικοί χρόνοι στην έναρξη και στη σβέση. Θα αναφερθούμε επιγραμματικά στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε ομάδας ημιαγωγικών στοιχείων καθώς και στο ποια στοιχεία προτιμάμαι για υλοποίηση μετατροπέων για χρήση στα FACTS. 3.2 Μετατροπείς Ως ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος θεωρούμαι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος από μια μορφή σε μια άλλη, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος. Τα στοιχεία αυτά ελέγχονται από αναλογικά ή ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλής ισχύος. Με τους μετατροπείς αυτούς μπορούμε να ρυθμίσουμε και να ελέγξουμε τη ροή ενέργειας μεταξύ διαφορετικών συστημάτων. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος, η χρήση μετατροπέων ισχύος έχει επικρατήσει έναντι των παλαιότερων ηλεκτρομηχανικών διατάξεων ή των γραμμικά ελεγχόμενων διατάξεων διότι παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, όπως: μικρότερος όγκος, σχετικά μικρό κόστος αγοράς και συντήρησης, υψηλότερο συντελεστή ισχύος (μπορεί να ξεπεράσει το 90%), λιγότερες ανάγκες συντήρησης, αθόρυβη λειτουργία και ακριβέστερη και ταχύτερη απόκριση στη ρύθμιση των χαρακτηριστικών εξόδου μέσω του ηλεκτρονικού ελέγχου. Μοναδικό τους μειονέκτημα έναντι των ηλεκτρομηχανικών στοιχείων είναι η δημιουργία ανώτερων αρμονικών και στην πλευρά του φορτίου και στην πλευρά της τροφοδοσίας. 49

64 Oι μετατροπείς χωρίζονται σε 4 κατηγορίες με βάση τη μορφή της μετατρεπόμενης και ανταλλασσόμενης ηλεκτρικής ισχύος: 1. Μετατροπείς ενλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη (AC-AC regulators) 2. Μετατροπείς (ή ανορθωτές) εναλλασσόμενης σε συνεχή (AC-DC Converters or Rectifiers) 3. Μετατροπείς συνεχόυς σε συνεχή (DC-DC Converters or DC Regulators). 4. Μετατροπείς συνεχούς σε εναλλασσόμενη ή αντιστροφείς (DC-AC Converters or Inverters). Σύμφωνα με την παραπάνω κατηγοριοποίηση ένας DC/AC μετατροπέας είναι ίδιος με έναν AC/DC μετατροπέα. Για τον διαχωρισμό τους και ανάλογα με την φορά της ισχύος ο μετατροπέας ονομάζεται ανορθωτής αν η ροή ισχύος είναι από το ΑC στο DC υποσύστημα και αντιστροφέας στην περίπτωση που η ροή ισχύος είναι από το DC στο AC υποσύστημα. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής θα αναφερόμαστε στις διατάξεις που χρησιμοποιούνται ως μετατροπείς, εννοώντας ότι λειτουργούν και ως ανορθωτές και ως αντιστροφείς, ανάλογα με την λειτουργία τους. Ο σύνδεσμος μεταξύ του μετατροπέα και του κυκλώματος δημιουργείται μέσω των σημάτων οδήγησης των ημιαγωγικών διακοπτών που περιέχει, καθώς και σημάτων ανάδρασης απαραίτητων για την εύρυθμη λειτουργία τους. 3.3 Ημιαγωγικά στοιχεία Τα ηλεκτρονικά ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος είναι τα δομικά στοιχεία των μετατροπέων ισχύος. Μπορούν να διακόπτουν ή να επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσω τους ανάλογα με τα σήματα έναυσης ή σβέσης σε αντίθεση λοιπόν με τους μηχανικούς διακόπτες, όπου η αλλαγή κατάστασης επιβάλλοταν από την κίνηση των μηχανικών τους μερών. Βέβαια οι μηχανικοί διακόπτες δεν έχουν εκλείψει αλλά χρησιμοποιούνται ακόμα σήμερα, πολλές φορές σε συνδιασμό με τους ηλεκτρονικά ισχύος. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που πρέπει να φέρουν τα ημιαγωγικά ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος είναι: Οι υψηλές τάσεις διάσπασης Η ικανότητα διέλευσης μεγάλων τιμών ρεύματος Οι μικρές πτώσεις τάσης, οι χαμηλές αντιστάσεις αγωγής και τα μικρά ρεύματα διαρροής Οι μικροί διακοπτικοί χρόνοι κατά την έναυση Εν συντομία θα αναφερθούμε στα πιο ευρέως διαδεδομένα στοιχεία ισχύος που μας απασχολούν στις διατάξεις που μελετάμε: 50

65 1. Δίοδος ισχύος, είναι μη ελεγχόμενο διακοπτικό στοιχείο που επιτρέπει ροή μόνο προς τη μια κατεύθυνση και η συμπεριφορά του εξαρτάται από τις επιβαλλόμενες τάσεις και ρεύματα. Χρησιμοποιείται κυρίως για ανόρθωση. 2. Θυρίστορ. Το πιο κοινό στοιχείο των ηλεκτρονικών ισχύος με εφαρμογές σε ανορθωτές, αντιστροφείς κα, ενώ έχει τη μεγαλύτερη ισχύ ( μέχρι MW) σε συχνότητα 10kHz. Είναι ημιελεγχόμενο, καθώς η έναυση γίνεται με απλή εφαρμογή παλμού στην Πύλη του, η σβέση του όμως δεν ελέγχεται και απαιτεί άλλες ηλεκτρονικές διατάξεις. 3. GTO (Gate-Turn-Off) θυρίστορ ανήκει στην οικογένεια των θυρίστορ με πρόσθετο χαρακτηριστικό ότι ελέγχεται και η σβέση του με αρνητικό παλμό στην Πύλη. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες διατάξεις, και βρίσκει εφαρμογή σε αντιστροφείς επειδή είναι πλήρως ελεγχόμενο στοιχείο 4. IGBT: αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980 και συνδυάζει χαρακτηριστικά BJT και MOSFET ισχύος. Είναι πλήρως ελεγχόμενο, η έναυση γίνεται με εφαρμογή παλμού στην Πύλη και η σβέση με την αφαίρεση του παλμού, βρίσκει και αυτό εφαρμογές σε αντιστροφείς ισχύος, ελεγχόμενους ανορθωτές κλπ. Στο Πίνακα 1 παρουσιάζονται συνοπτικά χαρακτηριστικά διάφορων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και στον Πίνακα 2 βιομηχανικές διατάξεις με ηλεκτρονικά ισχύος. Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος [29] Πίνακας 3.2: Βιομηχανικές εφαρμογές [29] 51

66 3.4 Βασικά κυκλώματα αντιστροφέων Στα FACTS συναντάμε 2 ειδών μετατροπείς. Ο πρώτος είναι ο αντιστροφέας πηγής τάσης (Voltage Source Inverter), οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή τάσης, και ο δεύτερος είναι ο αντιστροφέας πηγής ρεύματος (Current Source Inverter), οι οποίοι τροφοδοτούνται από πηγή ρεύματος. Ο VSI χρησιμοποιεί πυκνωτή ως συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, ενώ όταν χρειάζεται και ανταλλαγή ενεργού ισχύος χρησιμοποιείται εξωτερική πηγή τάσης. Σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές η συνεχής τάση παρέχεται από ανορθωτικές διατάξεις και σταθεροποιείται με χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας. Ο VSI παρουσιάζει γενικώς απλή δομή, εύκολο έλεγχο και γρήγορη απόκριση σε δυναμικές μεταβολές. Ο CSI χρησιμοποιεί πηνίο για να αποθηκεύει ενέργεια. Ο CSI παρουσιάζει κάποια θετικά σε σχέση με τον VSI όπως χαμηλότερος ρυθμός μεταβολής της τάσης, στην πράξη όμως χρησιμοποιείται κυρίως ο VSI γιατί έχει χαμηλότερες απώλειες και απλούστερο έλεγχο. Οι ίδιες διατάξεις είναι και ανορθωτές οπότε αναφερόμαστε σε αυτούς γενικά ως Voltage Source Converter (VSC) και Current Source Converter (CSC). Για διάταξη αντιστροφέα η συχνότητα στην έξοδο καθορίζεται από το ρυθμό έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων, άρα παρέχεται και η δυνατότητα ρύθμισης της. Στις εφαρμογές που μελετάμε σε αυτή τη διπλωματική η συχνότητα στην έξοδο του αντιστροφέα είναι πάντα ίδια με αυτή του δικτύου. Να τονιστεί ότι το φιλτράρισμα των αρμονικών στην έξοδο του αντιστροφέα δεν είναι εύκολο, ειδικά όταν η συχνότητα των ανώτερων αρμονικών μεταβάλλεται και βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της βασικής αρμονικής. Αυτό μπορεί να έχει αρνητικές συνέπειες, ειδικότερα σε περίπτωση τροφοδοσίας κινητήρα όπου μπορεί να δημιουργήσει ταλαντώσεις στον άξονα, και η αντιμετώπιση του έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του όγκου και του κόστους του αντιστροφέα. Σχήμα 3.1: Voltage source converter [18] 52

67 Σχήμα 3.2: Current source converter [18] Μονοφασικός αντιστροφέας Πιο απλές διατάξεις μετατροπέα πηγής τάσης είναι ο μονοφασικός σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας και πλήρης γέφυρας. Στο σχήμα παρουσιάζεται η δομή των 2 διατάξεων, χρησιμοποιώντας ιδανικούς διακόπτες, οι οποίοι μπορούν να αντικατασταθούν από οποιοδήποτε ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο, ακόμα και από θυρίστορ. Σε περίπτωση χρήσης θυρίστορ πρέπει να προβλεφθεί και κύκλωμα σβέσης τους. Κάθε διακόπτης επιτρέπει τη ροή ρεύματος όταν άγει κατά τη μια φορά, ενώ η αντιπαράλληλη δίοδος επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει κατα την αντίθετη κατεύθυνση. Οι δίοδοι είναι απαραίτητες όταν υπάρχει επαγωγικό φορτίο καθώς δίνει ένα δρόμο επιστροφής στο ρεύμα, άρα και της ενέργειας, από το φορτίο στη συνεχή τάση τροφοδοσίας στην είσοδο. Στις διατάξεις οι διακόπτες ενεργοποιούνται με τεταργωνικούς παλμούς. Στην ηιμιγέφυρα στέλνονται παλμοί εναλλάξ στους διακόπτες Τ1 και Τ2, πράγοντας έτσι μια εναλλασσόμενη κυματομορφή τάσης πλάτους από +V d /2 εως -V d /2 στους ακροδέκτες του φορτίου. Η διάταξη της ημιγέφυρας αποτελεί το βασικό στοιχείο δόμησης των αντιστροφέων. Η πλήρης γέφυρα αποτελείται από 2 ημιγέφυρες συνδεδεμένες παράλληλα, όπου οι διακόπτες άγουν κατά διαγώνια ζεύγη, δηλαδή στην μια ημιπερίοδο άγουν οι Τ1 και Τ4 και στην επόμενη οι Τ2 και Τ3, δημιουργώντας εναλλασσόμενη τάσης από + V d εως - V d. 53

68 Σχήμα 3.3: Αντιστροφέας ημιγέφυρας (α) και πλήρης γέφυρας (β) [7] Στο σχήμα 3.3 παρουσιάζονται οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος για τη πλήρη γέφυρα με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Λόγω της καθυστέρησης που εισάγει το επαγωγικό φορτίο όταν αλλάζει το ζεύγος θυρίστορ που άγουν, αλλάζει η πολικότητα της τάσης πάνω στο φορτίο, το ρεύμα όμως συνεχίζει να ρέει προς την ίδια φορά. Για το χρονικό διάστημα αυτό το ρεύμα ρέει διαμέσου των διόδων που βρίσκονται αντιπαράλληλα στους διακόπτες αγωγής για χρόνο, επίστρέφοντας ενέργεια στην πηγή τροφοδοσίας. Όσον αφορά το αρμονικό περιεχόμενο στην έξοδο ενός τέτοιου αντιστροφέα, εκτός από τη βασική αρμονική που είναι η συχνότητα της τετραγωνικής κυματομορφής εμφανίζονται και ανώτερες αρμονικές συχνότητες που είναι ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας της βασικής αρμονικής. 54

69 Σχήμα 3.4: Κυματομορφές τάσης και ρεύματος για τη πλήρη γέφυρα με ωμικό-επαγωγικό φορτίο [7] 55

70 3.4.2 Τριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος μέσω τετραγωνικών παλμών. Η δομή του τριφασικού μετατροπέα δίνεται στο σχήμα 3.5, και είναι μια μονοφασική γέφυρα με έναν επιπλέον κλάδο. Η λειτουργία του τριφασικού μετατροπέα είναι ανάλογη με αυτή του μονοφασικού. Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο άγει για 180 ο και κάθε ακροδέκτης εξόδου συνδεέται εναλλάξ με τον θετικό ή τον αρνητικό πόλο τροφοδοσίας.υπάρχει μια καθυστέρηση 120 ο στους παλμούς κάθε κλάδου ώστε η έξοδος να είναι τριφασική και συμμετρική. Σχήμα 3.5: τριφασικός μετατροπέας [7] Μόνη διαφορά στο αρμονικό περιεχόμενο της πολικής τάσης εξόδου και της εξόδου του μονοφασικού είναι ότι εδώ η τρίτη αρμονική είναι μηδέν καθώς η αρμονική της Α και της Β αλληλοαναιρούνται όταν υπολογίζουμε τη διαφορά τους, δηλαδή την πολική τάση V AB. 56

71 Σχήμα 3.4: Κυματομορφές τάσης στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα έξι παλμών [7] Φαίνεται εύκολα από τα διαγράμματα ότι ελέγχοντας τη παλμοδότηση ελέγχουμε και τη βασική αρμονική στην έξοδο του αντιστροφέα. Συνηθέστερο ημιαγωγικό στοιχείο που χρησιμοποιείται στις διατάξεις με τετραγωνικούς παλμούς είναι το θυρίστορ, γιατί μας δίνει την δυνατότητα ελέγχου και του πλάτους της τάσης εξόδου πέρα από τη συχνοτήτα της. 57

72 3.4.3 Ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM). Οι μετατροπείς τετραγωνικών παλμών εμφανίζουν αρμονικές χαμηλής συχνότητας με αποτέλεσμα να δημιουργούνται προβλήματα απωλειών. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται μετατροπείς με διαμόρφωση εύρους παλμών PWM, παρόλο που εμφανίζουν μεγαλύτερες διακοπτικές απώλειες λόγω μεγαλύτερης διακοπτικής συχνότητας, αυξάνουν σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου με αποτέλεσμα να μειώνεται η επίδραση τους στα συστήματα που συνδέονται στην έξοδο. Επιπλέον απαιτούνται εδώ πολύ γρήγορα διακοπτικά στοιχεία, τα οποία συνήθως είναι MOSFETs ή IGBTs. Η μεθοδολογία διαμόρφωσης του εύρους παλμών (PWM) μας επιτρέπει τον έλεγχο και της βασικής αρμονικής στην έξοδο, που χρησιμοποιείται στον έλεγχο των στροφών ασύγχρονης μηχανής μέσω της αυξομείωσης του εύρους των παλμών της τάσης εξόδου. Στα FACTS που επιθυμούμε τάση εξόδου με ημιτονοειδή μορφή, χρησιμοποείται η ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation).Μεταβάλλουμε το χρονικό διάστημα που οι παλμοί έχουν υψηλό δυναμικό βάσει μιας ημιτονοειδής συνάρτησης, το οποίο καλείται εύρος παλμών, που θα έχει το πλάτος και τη συχνότητα που επιθυμούμε κάθε φορά. Η δομή του μετατροπέα είναι ίδια με τον αντιστροφέα που αναλύσαμε με τετραγωνικούς παλμούς. Η μέθοδος παρουσιάζεται στο σχήμα 3.5. Μια τριγωνική κυματομορφή φορέας, συγκρίνεται με μια ημιτονοειδή κυματομορφή ελέγχου V tri, που ονομάζεται V control. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι λογικό 0 όταν το το τρίγωνο είναι μεγαλύτερο του ημιτόνου και λογικό 1 όταν συμβαίνει το αντίθετο. Η συχνότητα f s του Vtri ονομάζεται φέρουσα συχνότητα και καθορίζει την συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα, δηλαδή τη συχνότητα μετάβασης. Το σήμα ελέγχου αγωγής των διακοπτών έχει συχνότητα f 1. V control χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας 58

73 Σχήμα 3.5: Μέθοδος παραγωγής παλμών SPWM [7] Αυτή η συχνότητα ονομάζεται και συχνότητα διαμόρφωσης και είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Οι τάσεις εξόδου έχουν την ίδια dc συνιστώσα, δηλαδή μέση τιμή. Οι dc συνιστώσες τελικά όμως εξαλείφονται στις πολικές τάσεις. Η παραγόμενες αυτές τάσεις, δεν είναι τέλεια ημίτονα, αλλά περιέχουν και αρμονικές συνιστώσες της συχνότητας διαμόρφωσης. Από το λόγο της φέρουσας συχνότητας προς την συχνότητα διαμόρφωσης προκύπτει ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας M f M f : s f (3.1) fi Μεταβάλλοντας τον συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας μεταβάλλουμε την συχνότητα της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου. Εν προκειμένω οι μετατροπείς που χρησιμοποιούμε στα FACTS επειδή συνδέονται στο δίκτυο παράγουν τάση με συχνότητα ίδια του δικτύου (50 ή 60 Hrz). Ομοίως ορίζεται και ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους ως ο λόγος του πλάτους του σήματος ελέγχου προς το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής: 59

74 M V control a (3.2) Vtri Αυξομειώνοντας το συντελεστή διαμόρφωσης από 0 εως 1 μεταβάλλεται το εύρος των παλμών της κυματομορφής που προκύπτει από τη σύγκριση. Στη γραμμική περιοχή,δηλαδή για λόγο κατάτμησης μικρότερο του 1 το πλάτος της θεμελιώδους συχνότητας είναι ανάλογο του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους. Vdc Van M a, M a 1 (3.3) 2 Όπου: V an το πλάτος της ac φασικής τάσης εξόδου στην θεμελιώδη συχνότητα. V dc η dc τάση στην είσοδο του μετατροπέα. Για την RMS τιμή της πολικής τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα, για την θεμελιώδη συχνότητα, χρησιμοποιύμε την παρακάτω σχέση: 3 Vdc Van ( rms) M a, M a 1 (3.4) 2 2 Η SPWM στο τριφασικό φαίνεται στο κάτω σχήμα: 60

75 Σχήμα 3.6: SPWM για τριφασικό αντιστροφέα [9] 61

76 Σχήμα 3.7: σύγκριση τετραγωνικών και PWM [7] Η SPWM είναι χρήσιμη, διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών, η χρησιμοποίηση της ωστόσο έχει νόημα μόνο όταν η συχνότητα του φορέα είναι μικρή (συγκεκριμένα κάτω από 1KHz). Βασικό πρόβλημα που εμφανίζεται στους αντιστροφείς είναι η ατελής εκμετάλλευση της τάσης εισόδου. Για τροφοδότηση πχ από δίκτυο 380V ο αντιστροφέας φτάνει σε υπερδιαμόρφωση ( M 1) στα 315 V και πάνω και μάλιστα το αρμονικό περιεχόμενο είναι χειρότερο λόγω της μη a γραμμικής χαρακτηριστικής. Τα σήματα ελέγχου για διαμόρφωση τριφασικού αντιστροφέα φαίνονται εδω: 62

77 Σχήμα 3.8: τριγωνικό σήμα ελέγχου για τριφασικό σύστημα [9] Ανάλογα τον ρόλο που αναλαμβάνει η συχνότητα στους μετατροπείς μπορούμε να διακρίνουμε 3 κατηγορίες: VSC σύστημα με συχνότητα που ρυθμίζεται από το σήμα ελέγχου. VSC σύστημα μεταβλητή συχνότητα. Εδώ η συχνότητα είναι μεταβλητή κατάστασης του όλου συστήματος και εξαρτάται από το σημείο λειτουργίας και δεν ρυθμίζεται απευθείας. Αυτή η περίπτωση συναντάται στον έλεγχο στροφών ασύγχρονης μηχανής. VSC σύστημα με επιβαλλόμενη από το δίκτυο συχνότητα. Εδώ ο μετατροπέας συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο και επιβάλλει τη συχνότητα λειτουργίας του, η οποία θεωρείται σταθερή. Τέτοιο σύστημα έχουμε στα FACTS. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε πως πραγματοποιείται ο έλεγχος στον μετατροπέα πηγής τάσης, που χρησιμοποιείται για ρύθμιση ροής ισχύος και για έλεγχο της DC τάσης. Θα αναφερθούμε στο μετασχηματισμό σε στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς, στη μοντελοποίηση του τριφασικού μετατροπέα και στον έλεγχό του με PI ελεγκτές. 3.5 Στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς-μετασχηματισμός Park Στη μελέτη των συστημάτων ενέργειας λόγω της πολυπλοκότητας των διαφορικών εξισώσεων ενδείκνυται ο μετασχηματισμός των εξισώσεων προκειμένου να υπάρξει απόζευξη των μεταβλητών. Πολύ σύνηθες είναι και το γεγονός της χρήσης μετασχηματισμών προκειμένου όλες οι μεταβλητές να αναφέρονται σε κοινό πλαίσιο αναφοράς και να εξαλειφθούν οι χρονικά μεταβαλλόμενες επαγωγές. Θα χρησιμοποιήσουμε μετασχηματισμό Park, ο οποίος είναι αρκετά 63

78 συνηθισμένος στη μοντελοποίηση ηλεκτρικών μηχανών μιας και προσφέρει τη δυνατότητα αποσυζευγμένων ελέγχων μεταξύ ενεργού και άεργου ισχύος, οι οποίες μπορούν να εξαχθούν απευθείας από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q πλαίσιο. Από το τριφασικό σύστημα a-b-c μεταφέρουμε τις εξισώσεις στο στατό α-β και εν συνεχεία στο στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στο στρεφόμενο d-q τα εναλλασσόμενα μεγέθη μετατρέπονται σε συνεχή, και δίνεται η δυνατότητα γραμμικοποιήσης του συστήματος και απόζευξης των μεγεθών καθώς και διευκολύνεται πολύ ο σχεδιασμός PI ελεγκτών, ο οποίος δεν είναι αποτελεσματικός σε ημιτονοειδή μεγέθη. Σχήμα 3.9: πλαίσια αναφοράς α)abc, αβ, dq, β) στατό αβ και στρεφόμενο dq, γ) στρεφόμενο dq και συνεχείς τιμές μεγεθών [9] Θεωρώντας γωνία θ=ωt+θ ο, με ω κάποια αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t το χρόνο και θ ο την αρχική γωνία, ο μετασχηματισμός Park συμβολίζεται με Τ dq0 και μεταφέρει κάποιο σύνολο μεταβλητών ( ή σημάτων ) από το τριφασικό a-b-c στο σύστημα κάθετων d-q, σύμφωνα με τη σχέση x T x (3.5) dq0 dq0 abc abc Όπου x x x x, το διάνυσμα μεταβλητών στο d-q (3.6) T dq0 d q 0 T abc a b c x x x x, το διάνυσμα μεταβλητών στο τριφασικό abc. (3.7) Η μήτρα του μετασχηματισμού Park δίνεται ως εξής: 64

79 dq0 T abc 2 2 cos cos( ) cos( ) sin sin( ) sin( ) (3.8) όπου s( t ) dt (0) (3.9). Αντικαθιστώντας cosst cos( st ) cos( st ) 3 3 dq Tabc sinst sin( st ) sin( st ) (3.10) Ο αντίστροφος μετασχηματισμός χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των τριφασικών διανυσμάτων από το d-q σύστημα: cosst sinst 1 1 dq0 2 2 Tabc cos( st ) sin( st ) cos( st ) sin( st ) (3.11) Για να επιτευχθεί ο κατάλληλος προσανατολισμός εισάγουμε στη μήτρα μετασχηματισμού αρχική φάση, η οποία συμβολίζει τη γωνία που σχηματίζει ο άξονας d με το πλαίσιο αναφοράς, προσανατολίζοντας το πλαίσιο αναφοράς στο συγκεκριμένο διάνυσμα. Η τροποποιημένη μήτρα μετασχηματισμού Park ισούται με : 2 2 cos( st s ) cos( st s ) cos( st s ) 3 3 dq Tabc sin( st s ) sin( st s ) sin( st s ) (3.12) x όπου s arctan( ) (3.13) x Τα x και x είναι οι συνιστώσες του x στο α και β από τον στατό μετασχηματισμό α-β, όπου επιλέγουμε να προσανατολίσουμε το στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς d-q. 65

80 Όλοι οι μετασχηματισμοί ικανοποιούν το αναλλοίωτο της μεταφερόμενης ισχύος, που σημαίνει ότι για οποιαδήποτε χρονική στιγμή η ισχύς είναι ίδια ανεξάρτητα από το πλαίσιο αναφοράς το οποίο χρησιμοποιούμε. Προκύπτει λοιπόν η ισότητα: Pabc uaia ubib ucic (3.14) 2 Pdq 0 Pabc ( udid uqiq 2 u0i0 ) (3.15) 3 Ο συντελεστής εξαρτάται από την επιλογή των σταθερών για τον μετασχηματισμό αλλά δεν είναι δεσμευτική. Ο στατός μετασχηματισμός Park είναι ένας ενδιάμεσος μετασχηματισμός ανάμεσα στο τριφασικό και το στρεφόμενο d-q. Εδώ το πλαίσιο αναφοράς είναι σταθερό στο χώρο και δεν στρέφεται με την γωνιακή ταχύτητα όπως το d-q. Χρησιμοποιείται για να βρεθεί ο κατάλληλος προσανατολισμός για το στρεφόμενο πλαίσιο κάνοντας χρήση της αρχικής φάσης υπολογισμούς. Η μήτρα του στατού μετασχηματισμού προκύπτει θέτοντας στρεφόμενου: T Και τα πλαίσια που αναφέρθηκαν διακρίνονται στο σχήμα 3.9. s καθώς διευκολύνει στους s =0 στη μήτρα του (3.16) Για να εργαστούμε με σύστημα διαφορικών εξισώσεων στο d-q πρέπει να ορίσουμε και τον μετασχηματισμό της παραγώγου ενός διανύσματος. Παραγωγίζοντας τη σχέση 3.5 προκύπτει: x T x T x (3.17) dq0 dq0 abc dq0 abc Χρησιμοποιώντας τη σχέση (αριθμός) T x x T T x (3.18) 1 dq0 abc dq0 dq0 dq0 dq0 Και τελικά T x x x dq0 abc dq0 s dq0 (3.20) 66

81 3.6 Συγχρονισμός μέσω PLL Η εξαγωγή της γωνιακής ταχύτητας ω και της γωνίας θ επιτυγχάνεται μέσω βρόγχου ελέγχου PLL ( Phased Locked Loop), ο οποίος φροντίζει για τον συγχρονισμό του μετατροπέα με το δίκτυο το οποίο συνδέεται. Πρόκειται ουσιαστικά για έναν βρόχο ελέγχου που δίνει τη δυνατότητα στο σύστημα να ανιχνεύει τις τυχόν αλλαγές συχνοτήτων στο σήμα εισόδου και παράγει σήματα αναφοράς για την συχνότητα του αντιστροφέα ακόμα και όταν υπάρχει παραμόρφωση τάσης ή διακύμανση στη συχνότητα του δικτύου και χρησιμοποιεί τόσο τους μετασχηματισμού Park και τον στατό αβ όσο και έναν PI ελεγκτή. Στοιχεία του βρόγχου PLL αποτελούν: Συγκριτής φάσης (Phase Detector, PD) Φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων (Low-Pass Filter) Ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση ( Voltage Control Oscillator, VCO) Σχήμα 3.10: Η βασική δομή ενός PLL [16] Από τον μετασχηματισμό Park στο σημείο σύνδεσης, παίρνουμε U U t (3.21) cos( d m ) 0 0 U U t (3.22) sin( q m ) 0 0 Ο PLL θα μας εξασφαλίσει () t 0t 0 και κατ επέκταση Ud Um και Uq 0. Επιγραμματικά η λειτουργία του είναι η εξής: ο ανιχνευτής φάσης (PD) πολλαπλασιάζει 2 σήματα και παράγει στην έξοδο του ένα σήμα αποτελούμενο από 2 παράγοντες που εξαρτώνται από τη διαφορά και το άθροισμα των φάσεων. Από το Low-Pass Filter περνάει μόνο ο παράγοντας που εξαρτάται από τη διαφορά των φάσεων και ο VSO επιβάλλει ολοκληρωτικό έλεγχο και μηδενίζει το σφάλμα των 2 σημάτων. Στο σχήμα 3.10 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα του τριφασικού PLL για μετασχηματισμό τάσεων στο dq πλαίσιο αναφοράς. Ως συνιστώσα ελέγχου του βρόγχου 67

82 ref ανάδρασης επιλέγουμε την τάση του κάθετου άξονα U, και θέτουμε σήμα αναφοράς U 0, και έτσι κλειδώνει η έξοδος του PLL στη φάση της τάσης του δικτύου. q q 3.7 Δομή και μοντελοποίηση τριφασικού μετατροπέα Οι μετατροπείς που μας απασχολούν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής είναι τριφασικοί μετατροπείς εναλλασσόμενου σε συνεχές για λειτουργία inverter ή συνεχές σε εναλλασσόμενο για λειτουργία converter, οδηγούμενοι από πηγή τάσης (Voltage Source Converters). To σχηματικό διάγραμμα του τριφασικού μετατροπέα με σταθερή φαίνεται αναλυτικά στο σχήμα 3.11 Σχήμα 3.11: Σχηματικό διάγραμμα τριφασικού αντιστροφέα συνδεδεμένο με το δίκτυο [13] Το διάγραμμα για inverter και converter είναι ίδιο, καθώς και η μοντελοποίηση του συστήματος στο χώρο κατάστασης. Μόνο διαφορά είναι η ροή της ισχύος η οποία είναι από ή προς την πηγή τάσης. Ο VSC μετατροπέας παριστάνεται με ένα ιδανικό μετατροπέα, έναν πυκνωτή στη DC ζεύξη ( ο οποίος θα θεωρηθεί ιδανικός και χωρίς απώλειες) που αποτελεί την πηγή τάση, ενώ μπορεί να υπάρξει και μια πηγή τάσης παράλληλα συνδεδεμένη με τον πυκνωτή ώστε να συμβολίζει τις απώλειες των διακοπτών. Το AC δίκτυο παριστάνεται από μια ιδανική τριφασική πηγή σταθερής συχνότητας και ημιτονοειδούς μορφής η οποία συνδέεται με τον μετατροπέα μέσω τριφασικής γραμμής τροφοδοσίας που παρουσιάζει ωμική-επαγωγική αντίσταση R L. Ο μετατροπέας αποτελείται από 6 διακοπτικά στοιχεία τα οποία είναι συνδεδεμένα το καθένα με αντιπαράλληλη δίοδο, επιτρέποντας έτσι τη ροή του ρεύματος και προς τις 2 κατευθύνσεις. Στην έξοδο ο πυκνωτής C φροντίζει για την σταθεροποίηση της τάσης. 68

83 Ο VSC ανταλλάσει ενεργό και άεργο ισχύ με το δίκτυο μέσω του σημείου κοινής σύνδεσης (Point of Common Connection, PCC). Ανάλογα με τη στρατηγική ελέγχου που επιλέγεται ο VSC μπορεί να λειτουργήσει ως ελεγκτής ενεργού, αντισταθμιστής άεργου ή να διατηρεί σταθερή την τάση στο PCC Μοντελοποίηση στην πλευρά του δικτύου Θεωρούμε το σύστημα τριφασικό με a-b-c φασική ακολουθία, άρα οι τάσεις εισόδου προκύπτουν ως εξής: u U cos( t) a m s 2 ub U m cos( st ) (3.23) 3 2 uc U m cos( st ) 3 Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία από την πλευρά του δικτύου είναι: ua ia ia va d u b R* i b L* i b v b dt u c i c i c v c όπου i a, i b, i c η στιγμιαία τιμή του ρεύματος σε κάθε φάση v a, v b, v c η στιγμιαία τιμή της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα σε κάθε φάση (3.24) Εφόσον το τριφασικό σύστημα θεωρείται συμμετρικό μπορούμε να εφαρμόσουμε τον μετασχηματισμό Park, θεωρώντας ότι τα στοιχεία της μηδενικής ακολουθίας δεν υπάρχουν. Προκύπτει αφού λύσουμε ως προς τα διαφορικά των ρευμάτων το σύστημα: d i d R i d i V U L * d d d s L dt i q 0 R i q 1 0 i q Vq U q όπου i d, i q τα ρεύματα γραμμής του ευθέως και εγκάρσιου άξονα (3.25) U d, U q οι d-q συνιστώσες της τριφασικής πηγής V d, V q οι d-q συνιστώσες της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα 69

84 s η κυκλική συχνότητα μετασχηματισμού. Ορίζοντας το λόγο κατάτμησης ευθέως και εγκάρσιου άξονα ως m d και m q, ισχύει: m d V V d (3.26) dc m V q q (3.27) V dc Αντικαθιστώντας τις (3.26) και (3.27) στην (3.25) προκύπτει η τελική μορφή του συστήματος στο χώρο κατάστασης: d i d R i d i m V U L * d d dc d s L dt i q 0 R i q 1 0 i q mqvdc U (3.28) q Για τα md και m q ισχύει ακόμα: m 2 m m (3.29) και 2 2 a d q m m 1 d tan ( ) (3.30) q όπου m a ο λόγος κατάτμησης της φάσης α χρησιμοποιώντας PWM διαμόρφωση και διαφορά φάσης μεταξύ U d και U q. Για τον λόγο m a ισχύει : η m 1 (3.31) m a m 0.25 (3.32) 2 2 d q Λειτουργώντας σε αυτά τα όρια που ορίζουν την γραμμική περιοχή αποφεύγεται η εμφάνιση ανώτερων αρμονικών. Παρατηρούμε ότι το σύστημα είναι μη γραμμικό καθώς οι είσοδοι του, δηλαδή md και m q εμφανίζονται ως γινόμενα. Η πραγματική και άεργος ισχύς που ρέει από το δίκτυο προς τον τριφασικό μετατροπέα είναι: P U I cos (3.33) m m m Q U I sin (3.34) m m m Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park μεταφερόμαστε στο d-q πλαίσιο αναφοράς όπου: 3 P ( Ud Id UqIq ) 2 (3.35) 3 Q ( Ud Iq UqId ) 2 (3.36) 70

85 Οι σχέσεις στο d-q πλαίσιο είναι πολύ πιο εύχρηστες από τις αντίστοιχες στο τριφασικό, ειδικότερα στην περίπτωση που προσανατολίζουμε την α φάση της τριφασικής τάσης εισόδου με έναν από τους κάθετους άξονες. Εάν πχ. προσανατολίσουμε προς τον q άξονα προκύπτει: Uq 0 και Ud Um άρα οι εξισώσεις της ενεργού και άεργου ισχύος γίνονται: 3 P ( UdId ) (3.37) 2 και 3 Q ( UI d q) (3.38) 2 Οι σχέσεις αυτές διευκολύνουν αρκετά την εφαρμογή ελέγχου. Συνήθως υπάρχει η απαίτηση συντελεστής ισχύος της διάταξης να είναι ίσος με μονάδα ( cosm 1), να έχουμε δηλαδή μηδενική ροή άεργου ισχύος. Με τον προσανατολισμό αρκεί να έχουμε να μηδενίσουμε το ρεύμα στον q άξονα ( Iq 0 ) ώστε να μηδενίσουμε την άεργο ισχύ Point of Common Connection Χρειάζεται να εξαχθεί άλλη μια εξίσωση που θα περιγράφει την τάση στο PCC ώστε να φτιάξουμε το πλήρες μοντέλο του συστήματος. Για το PCC από την αρχή διατήρησης της ενέργειας ισχύει: Pf Pdc Pin (3.39) όπου P f η ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα P dc η ισχύς του πυκνωτή στη DC διασύνδεση P in η ισχύς της παράλληλης πηγής ρεύματος, η οποία μπορεί να παραληφθεί αν θεωρήσουμε ιδανικό πυκνωτή Για την ισχύ στην έξοδο του μετατροπέα ισχύει: 2 2 Pf ( Vd Id Vq Iq) Pf ( mdvdc Id mqvdc Iq) (3.40) 3 3 Για την ισχύ του πυκνωτή: P dv dt dc dc CVdc (3.41) αντικαθιστώντας την (3.40) στην (3.41) προκύπτει: 71

86 dvdc 2 CVdc ( mdvdc Id mqvdc Iq ) dt 3 dv dt dc 2 ( mdvdc Id mqvdc Iq ) (3.42) 3CV dc Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση προκύπτει το συνολικό μοντέλο για τον μετατροπέα στο d-q: R md Id L Id U d d R 1 I q m q I q U q dt L L V dc V dc 0 3m 3m d q 0 2Cdc 2C dc (3.43) 3.8 Έλεγχος αντιστροφέα Θα εφαρμόσουμε στο σύστημα PI έλεγχο, διότι επιθυμούμε μηδενικό σφάλμα μόνιμης κατάστασης ( η έξοδος του συστήματος να ακολουθεί την είσοδο που ορίζουμε). Προτιμείται έλεγχος ρεύματος έναντι έλεγχος τάσεως γιατί προσφέρει προστασία από υπερεύματα καθώς και καλύτερη δυναμική απόκριση και ακρίβεια από τον ελεγκτή τάσεως. Η σχέση που περιγράφει έναν PI ελεγκτή είναι η εξής: x ki ( u uref ) dt k p( u uref ) και x u uref (3.44) όπου x το σήμα εξόδου u το σήμα εισόδου u ref το σήμα αναφοράς Το σφάλμα μόνιμης κατάστασης προκύπτει μηδενικό επειδή ισχύει x 0 u u ref 0, άρα e 0 και η το σήμα u ακολουθεί το σήμα αναφοράς. ss Για να εφαρμοστεί PI έλεγχος πρέπει να μετασχηματιστεί το σύστημα στο d-q στρεφόμενο και να είναι γραμμικό και ανεξάρτητο. Οι εξισώσεις που έχουμε για το μοντέλο του συστήματος 72

87 εμπεριέχουν 2 όρους που το καθιστούν μη γραμμικό επειδή περιπλέκουν τους d-q άξονες, οι οποίοι είναι: Li q και Lid Για να αποζευχθούν οι άξονες τελείως και να γίνει το σύστημα γραμμικό και ανεξάρτητο ώστε να εφαρμόσουμε PI έλεγχο, θα χρησιμοποιήσουμε μετασχηματισμό εισόδου. Για τον d άξονα συγκεκριμένα, η διαφορική εξίσωση του ρεύματος είναι : did dt RI LI V U (3.45) d s q sd d Ορίζουμε μια νέα μεταβλητή, έστω u LI U V (3.46) d q d sd Αντικαθιστώντας την (3.46) στην (3.45) προκύπτει did dt RI u (3.47) d d Όπως προείπαμε η μεταβλητή που ελέγχουμε εδώ (η είσοδος του συστήματος ) είναι ο λόγος κατάτμησης στα διακοπτικά στοιχεία m m V m d, για τον οποίο ισχύει: sd d άρα αντικαθιστώντας την (3.46) προκύπτει: V dc u LI U d q d d (3.48) Vdc Εργαζόμενοι παράλληλα για τον q άξονα προκύπτει: u LI U V (3.49) q d q sq di dt q RI q u q (3.50) Οι εξισώσεις (3.47) και (3.50) παριστάνουν δυο γραμμικά συστήματα πρώτη τάξης που είναι αποζευγμένα μεταξύ τους. Μεταβλητές κατάστασης είναι οι I d, I q και οι μεταβλητές ελέγχου οι u d, u q.οι u d, u q προκύπτουν από 2 PI ελεγκτές, Οι ελεγκτές αυτοί επεξεργάζονται το σφάλμα e I I και ref d d d e I I για τον d και για τον q άξονα αντίστοιχα και το κέρδος κάθε άξονα ref q q q παράγει το αντίστοιχο σήμα ελέγχου. Τα σήματα αυτά u d, u q με τη σειρά τους σύμφωνα με τις εξισώσεις (3.50) και (3.51) επιδρούν στους λόγους κατάτμησης m, m και ενισχυμένα έπειτα με d q 73

88 τον παράγοντα V dc παράγουν τις τάσεις Vsd, V sq στην έξοδο του μετατροπέα. Εφαρμόζοντας τους PI ελεγκτές έχουμε: ref ref ud kid ( Id Id ) dt k pd ( Id Id ) (3.51) ref ref και uq kiq ( Iq Iq ) dt k pd ( Iq Iq ) (3.52) Οι λόγοι κατάτμησης για τους d και q άξονες αντίστοιχα είναι: m d ref ref kid ( Id Id ) dt k pd ( Id Id ) LIq (3.53) V dc και m q ref ref kiq ( Iq Iq ) dt k pd ( Iq Iq ) LId (3.54) V dc Σχήμα 3.13: Ελεγκτές ρεύματος 74

89 Σχήμα 3.14 : έλεγχος με decoupling Οι ελεγκτές είναι πανομοιότυποι άρα μπορώ να επιλέξω παρόμοια κέρδη και η διαδικασία που ακολουθείται είναι η ίδια και για τους 2. Για τον d άξονα πχ ο βρόγχος ελέγχου αφορά μόνο dc ποσότητες, άρα από την θεωρία ελέγχου ένας PI αρκεί για να ακολουθήσει ο μετατροπέας μια dc εντολή. Τα k, k είναι το αναλογικό και ολοκληρωτικό κέρδος αντίστοιχα. Από τη θεωρία p i γνωρίζουμε ότι PI έλεγχος προσθέτει ένα μηδενικό στο σημείο s k k i και έναν πόλο στο 0 p s. Το μηδενικό που προστίθεται έχει θετική επίδραση στην ευστάθεια του κλειστού συστήματος, ενώ ο πόλος στο 0 κάνει το σύστημα type 1 ώστε για βηματική απόκριση να μηδενίζεται το σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Επιφέρει όμως μια αρνητική επίδραση στην ευστάθεια του συστήματος καθώς ο πόλος δεν είναι στο αρνητικό ημιεπίπεδο. Ορίζουμε ως κέρδος ευθέως άξονα ή κέρδος d άξονα: k ps ki kd () s (3.55) s Το κέρδος ανοικτού βρόγχου είναι 75

90 ki s l 1 ( s ) k d ( s kp kp ) ls ( ) ( ) Ls R Ls R s L k Παρατηρούμε ότι η συνάρτηση ανοικτού βρόγχου έχει ένα μηδενικό στο - k i p (3.56) και έναν πόλο στο - R. Επειδή ο πόλος βρίσκεται πολύ κοντά στην αρχή των αξόνων υπάρχει μείωση στο πλάτος και L στη φάση του κέρδους, κατι που πρακτικά σημαίνει ότι το μηδενικό ακυρώνει τον πόλο. Θεωρούμε τελικά : k p 1 ls () Ls s (3.57) i Άρα η συνάρτηση μεταφοράς κλειστού βρόγχου προκύπτει: Id () s ls ( ) 1 Gs () ref I 1 l( s) s 1 d i (3.58) L R με k p, ki (3.59) Η i i i είναι χρονική σταθερά του συστήματος κλειστού βρόγχου. Αν τα κέρδη k p, k i επιλεγούν σύμφωνα με τις (3.59) η απόκριση του ρεύματος στο σήμα αναφοράς γίνεται σύμφωνα με την Gs (). Η i θα πρέπει να επιλεγεί κατάλληλα ώστε να πληρεί συγκεκριμένες προδιαγραφές. Αυτές κυρίως είναι να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να ο ελεγκτής ρεύματος να παρουσιάζει γρήγορη απόκριση ( πρέπει να έχει την γρηγορότερη απόκριση από οποιοδήποτε ελεγκτή του συστήματος ) και ταυτόχρονα να είναι αρκετά μικρότερη από τη συχνότητα των διακοπτικών λειτουργιών του μετατροπέα ( περίπου 10 φορές μικρότερο, της τάξης των 0,5-5 ms). Για τα κέρδη του q άξονα η διαδικασία που ακολουθείται είναι η ίδια. Oι τιμές ref I d, ref I q καθορίζονται από 2 εξωτερικούς, πιο αργούς ελεγκτές PI, οι οποίοι συνδέονται σειριακά με τους εσωτερικούς ελεγκτές ρεύματος. Συνήθως απώτερος σκοπός μας είναι ο ανεξάρτητος έλεγχος άεργου/ ενεργού ισχύος και η λειτουργία υπό συντελεστή ισχύος ίσο με μονάδα. Αυτό είναι επιθυμητό καθώς η ύπαρξη άεργου ισχύος οδηγεί σε ταλάντωση ισχύος μεταξύ συστήματος και δικτύου, καθώς και αύξηση της συνολικής τιμής του ρεύματος λόγω της κάθετης συνιστώσας που δημιουργεί, άρα και μεγαλύτερες απώλειες στη γραμμή. Με το σχεδιασμό εξωτερικών ελεγκτών για διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου για τον UPFC θα ασχοληθούμε αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. 76

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΕΝΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (UPFC) 4.1 Εισαγωγή Ο ελεγκτής UPFC ως ιδέα προτάθηκε από τον L.Gyugyi το Ανήκει στην κατηγορία ελεγκτών FACTS που κάνουν χρήση μετατροπέων ως σύγχρονων πηγών τάσης και μπορούν να παρέχουν αντιστάθμιση άεργου ισχύος ή να ανταλλάσουν ενεργό ισχύ με το σύστημα. Ο UPFC είναι ο πιο πολυχρηστικός ελεγκτής των FACTS καθώς συνδυάζει τις λειτουργίες όλων των προαναφερθέντων των προηγούμενων ελεγκτών ( εξού και η ονομασία ενοποιημένος), προσφέρει δυνατότητα ελέγχου όλων των παραμέτρων που επηρεάζουν τη ροή ισχύος στη γραμμή μεταφοράς (επαγωγική αντίδραση, τάση και φασική γωνία) ενώ εναλλακτικά μπορεί να ελέγχει ανεξάρτητα την ροή ενεργού και άεργου ισχύος μέσα από τη γραμμή μεταφοράς. Έχει κατασκευαστεί για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο και δυναμική αντιστάθμιση και παρέχει μοναδική ευελιξία. Η λειτουργία του προσφέρει έχει θετική επίδραση ακόμα στην μεταβατική ευστάθεια και στη μείωση ρεύματος σφαλμάτων. Ο πρώτος UPFC εγκαταστάθηκε στον σταθμό Inez στο ανατολικό Kentucky και ανήκει στην American Electric Power. Δομικά του στοιχεία είναι 2 αντιστροφείς 160MVA έκαστος που συνδέονται στη γραμμή μέσω συμβατικών μετασχηματιστών. Χρησιμοποιούν GTO θυρίστορ και παράγουν τριφασική τάση 48-παλμών στην έξοδό τους. 77

92 Σχήμα 4.1: a) UPFC στο Kentucky, b) 160MVA GTO thyristor [30] 78