ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ CONTROL AND PROTECTION OF HVDC SYSTEMS ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΑΜΠΡΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ 6339 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 213

2 Copyright Γεωργιάδης Γεώργιος 213 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατανόηση των HVDC συστημάτων σε βάθος. Σε πρώτο στάδιο περιγράφουμε από την διαθέσιμη βιβλιογραφία τα πλεονεκτήματα της HVDC έναντι της HVAC μεταφοράς, όπως και τις εφαρμογές της. Στην συνέχεια, περιγράφουμε τον βασικό εξοπλισμό και τις βασικές έννοιες ενός HVDC συστήματος. Οι κυρίαρχες παγκοσμίως τεχνολογίες HVDC είναι δύο. Η πρώτη βασίζεται σε μετατροπείς πηγής ρεύματος (CSC) και η δεύτερη μετατροπείς πηγής τάσης (VSC). Τα HVDC συστήματα χρειάζονται σύστηματα ελέγχου και προστασίας για τον έλεγχο της μεταφερόμενης ισχύος και για την βέλτιση απόκριση τους στις διαταραχές. Έτσι σε δεύτερο στάδιο για την αναλυτική μελέτη των δύο τύπων συστήματων χρησιμοποιήσαμε το πρόγραμμα Simulink, ειδικότερα την βιβλιοθήκη Simpowersystems και τα μοντέλα power_hvdc12pulse και power_hvdc_vsc. Για να γίνει πιο ρεαλιστική η μελέτη, χρησιμοποιήσαμε ως σύστημα αναφοράς το υπάρχον CSC-HVDC σύστημα 5MW 4kV dc που διασυνδέει την Ελλάδα με την Ιταλία, με όσα στοιχεία βρήκαμε στην βιβλιογραφία. Προσομοιώσαμε ένα VSC-HVDC σύστημα με την ίδια δυνατότητα μεταφοράς ισχύος και τρέξαμε τα ίδια σενάρια για τις δύο υλοποιήσεις, με σκοπό να απαριθμήσουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των δύο υλοποιήσεων. Συγκεκριμένα, προσομοιώσαμε για τις δύο υλοποιήσεις την εκκίνηση και την στάσιμη κατάσταση τους, την ποιότητα των ac και dc τάσεων και ρευμάτων, την δυναμική απόκριση τους σε βηματικές αλλαγές, στην αντιστροφή ροής της ισχύος, σε dc σφάλματα και σε ac σφάλματα. Επίσης ασχοληθήκαμε με δύο μεθόδους βελτιστοποίησης των ελεγκτών του VSC-HVDC συστήματος, με την ac και dc προστασία και προσομοιώσαμε τρία μέσα προστασίας στο VSC-HVDC σύστημα, όπως είναι οι εκτροπείς υπερτάσεων, ο υπεραγώγιμος περιοριστής ρεύματος και ο dc ΔΙ με IGBTs. Abstract The objective of this thesis is the deep understanding of HVDC systems. Initially, we describe the advantages of the HVDC transmission over the HVAC transmission and its applications according to the available bibliography. Furthermore, we describe the main equipment and the basic terms of a HVDC system. There are two prevalent HVDC technologies globally. The first one is based on Current Source Converters and the second one is based on Voltage Source Converters. HVDC need control and protection systems in order to control the power transmission and to respond efficiently to perturbations. Therefore, we utilized the Simulink application, specifically the Simpowersystems library and the models power_hvdc12pulse and power_hvdc_vsc, to conduct an analytic study on HVDC systems. In order the study to be as realistic as possible and relying on the information we were able to obtain about the existing CSC-HVDC system 5MW 4kV dc interconnecting Greece and Italy, we utilized it as a reference system. We simulated a VSC-HVDC system having the same power transmission capability and ran the same case studies on both types of HVDC system, with a view to comparing them to each other. In particular, we simulated the start-up and the steady state, the quality of ac and dc voltages and currents, the transient response to step changes, to power reversal, to dc faults and to ac faults of each system. We also studied two methods optimizing the performance of the controllers of the VSC-HVDC system, the dc and ac protection and simulated three protection components on the VSC-HVDC system, such as the surge arrester, the super conducting fault limiter and IGBT circuit breaker. 3

4 Ευχαριστίες Ευχαριστώ ιδιαιτέρως τον καθηγητή κ. Λαμπρίδη Δημήτριο και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Δούκα Δημήτριο για την ανάθεση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, για την καθοδήγηση και την βοήθεια κατά την διάρκεια εκπόνησης της εργάσιας. Αφιερώνω την διπλωματική εργασία στην οικογένεια μου και την ευχαριστώ για την συνεχή υποστήριξη κατά την διάρκεια των σπουδών μου. 4

5 Λίστα σχημάτων Σχήμα 1: Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς 12MW συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Σχήμα 2: Τα AC δίκτυα τείνουν να είναι πιο οικονομικά από τα DC για αποστάσεις μικρότερες από την κρίσιμη απόσταση (breakeven distance) αλλά πιο δαπανηρά για μεγαλύτερες αποστάσεις.η κρίσιμη απόσταση ποικίλει από 4 εώς 7km για τις εναέριες γραμμές και από 25 εώς 5 km για τα υπόγεια δίκτυα Σχήμα 3: Σύγκριση της όδευσης γραμμών ac και dc δικτύων μεταφοράς 2MW Σχήμα 4: Κόστη εγκατάστασης εναέριων συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Σχήμα 5: Σύγκριση μεταξύ AC και DC απωλειών κορώνα Σχήμα 6: (a) μονοπολική διασύνδεση (b) διπολική διασύνδεση (c) ομοπολική διασύνδεση 23 Σχήμα 7: back-to-back διασύνδεση Σχήμα 8: MTDC σύστημα και point-to-point συστήματα για την διασύνδεση 2 μονάδων παραγωγής με 2 φορτία Σχήμα 9: MTDC διάταξη για την ενίσχυση υπερφορτωμένου δικτύου Σχήμα 1: Εν σειρά MTDC σύστημα τριών τερματικών Σχήμα 11: Ακτινικό MTDC σύστημα τριών τερματικών Σχήμα 12: MTDC σύστημα βρόγχου Σχήμα 13: Μετατροπείς τύπου CSC και VSC Σχήμα 14: Συνδεσμολογία ανορθωτικής διάταξης 2 δωδεκαπαλμικών μετατροπέων σε HVDC σύστημα διπολικής διασύνδεσης Σχήμα 15: Συνδεσμολογίες μετασχηματιστών με βάση των αριθμό των τυλιγμάτων Σχήμα 16: Συνδεσμολογία τυλιγμάτων μετασχηματιστή δωδεκαπαλμικού μετατροπέα Σχήμα 17: VSC δύο επιπέδων Σχήμα 18: Φασικές και πολικές τάσεις VSC δύο επιπέδων Σχήμα 19: VSC τριών επιπέδων Σχήμα 2: Επίπεδα τάσης VSC δύο και τριών επιπέδων Σχήμα 21: Διαμόρφωση εύρους παλμών τριφασικού VSC Σχήμα 22: Θυρίστορ Σχήμα 23: Χαρακτηριστική i-v θυρίστορ Σχήμα 24: Kατακόρυφη τομή και κυκλωματικό σύμβολο GTO Σχήμα 25: Δομή IGBT Σχήμα 26: Χαρακτηριστικές i-v και κυκλωματικό σύμβολο IGBT... 4 Σχήμα 27: Αυτεπαγωγή εξομάλυνσης με μόνωση ελαίου και ξηρού τύπου Σχήμα 28: Τοπολογία ενεργού φίλτρου Σχήμα 29: Παθητικά φίλτρα Σχήμα 3: Κόστος παθητικών φίλτρων και ενεργών φίλτρων συναρτήσει του ρεύματος διαταραχής Σχήμα 31: XLPE καλώδιο Σχήμα 32: Διάρκεια ζωής των μονώσεων των καλωδίων σε συνάρτηση με την θερμοκρασία

6 Σχήμα 33: Κύκλωμα για τον υπολογισμό του λόγου βραχ/σης ac συστήματος Σχήμα 34: Ταξινόμηση ac συστήματος βάσει του ενεργού λόγου βραχ/σης Σχήμα 35: Μεταγωγή ρεύματος μεταξύ των βαλβίδων 1 και Σχήμα 36: Τοπολογία CSC-HVDC συστήματος (μονοπολική διασύνδεση)... 5 Σχήμα 37: Βασικό διάγραμμα ελέγχου του CSC-HVDC συστήματος Σχήμα 38: Χαρακτηριστικές CSC στις λειτουργίες ανόρθωσης και αντιστροφής Σχήμα 39: Διάγραμμα master controller Σχήμα 4: Τοπολογία VSC-HVDC συστήματος (συμμετρική μονοπολική διασύνδεση) Σχήμα 41: Απλοποιημένο κύκλωμα σύνδεσης του VSC με το ac δίκτυο Σχήμα 42: Φασικό διάγραμμα του VSC Σχήμα 43: Καμπύλη ικανότητα μεταφοράς ισχύος του VSC-HVDC συστήματος Σχήμα 44: Διάγραμμα άμεσου ελέγχου ισχύος... 6 Σχήμα 45: Μετασχηματισμός αξόνων για τον έλεγχο διανύσματος Σχήμα 46: Μονοφασικό ισοδύναμο VSC Σχήμα 47: Ισοδύναμα κυκλώματα του VSC στο σ.σ. dq Σχήμα 48: Διάγραμμα ελέγχου διανύσματος Σχήμα 49: Γενικό διάγραμμα εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος Σχήμα 5: Λεπτομερές διάγραμμα του εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος Σχήμα 51: Γενικό διάγραμμα εξωτερικών ελεγκτών Σχήμα 52: Διάγραμμα ελεγκτή ενεργού ισχύος Σχήμα 53: Διάγραμμα ελεγκτή άεργου ισχύος Σχήμα 54: Διάγραμμα ελεγκτή dc τάσης Σχήμα 55: Διάγραμμα ελεγκτή ac τάσης Σχήμα 56: Ισοδύναμο κύκλωμα ac συστήματος... 7 Σχήμα 57: Μοντέλο VSC-HVDC συστήματος Σχήμα 58: Μοντέλο ac φίλτρων VSC-HVDC συστήματος Σχήμα 59: Μοντέλο VSC υποσταθμού Σχήμα 6: Διάγραμμα ελέγχου μοντέλου VSC-HVDC συστήματος Σχήμα 61: Μοντέλο VSC ελεγκτή Σχήμα 62: Μοντέλο εξωτερικών ελεγκτών Σχήμα 63: Μοντέλο ελεγκτή άεργου ισχύος Σχήμα 64: Μοντέλο ελεγκτή ενεργού ισχύος Σχήμα 65: Μοντέλο ελεγκτή dc τάσης Σχήμα 66: Καταστάσεις διακοπτών VSC 3 επιπέδων... 8 Σχήμα 67: Τριφασική τάση αναφοράς και τριγωνικό φέρον για την παραγωγή πάλμων Σχήμα 68: Μοντέλο εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος Σχήμα 69: Block AC Current Control Σχήμα 7: Ρεύματα στην dc πλευρά του VSC Σχήμα 71: Block DC Voltage Balance Control Σχήμα 72: Dc τάσεις στους πόλους,συνολική dc τάση και dc ισχύς στον ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 73: Ac τάση, ενεργός και άεργος ισχύς,τριφασική τάση και ρεύμα στον ζυγό Β1 στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 74: Ρεύματα id-iq, συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους και τριφασική τάση αναφοράς(ελέγχου) του ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση

7 Σχήμα 75: Τάση στον ζυγό φίλτρων, τριφασικό ρεύμα ac και τριφασική τάση στον ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 76: Dc ρεύματα, dc τάσεις στους πόλους, συνολική dc τάση και dc ισχύς στον αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 77: Ac τάση, ενεργός και άεργος ισχύς,τριφασική τάση και ρεύμα στον ζυγό Β2 στην στάσιμη κατάσταση... 9 Σχήμα 78: Ρεύματα id-iq, συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους και τριφασική τάση αναφοράς του αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 79: Τάση στον ζυγό φίλτρων, τριφασικό ρεύμα και τριφασική τάση στον αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 8: Μέση τιμή της διαφοράς των τάσεων των 2 πόλων Σχήμα 81: Αρμονικές φασικής τάσης VSC ανορθωτή Σχήμα 82: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC ανορθωτή Σχήμα 83: Αρμονικές φασικής τάσης VSC αντιστροφέα Σχήμα 84: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα Σχήμα 85: Αλληλεπίδραση αρμονικών μεταξύ dc και ac πλευράς Σχήμα 86: AC φίλτρο τύπου C Σχήμα 87: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC ανορθωτή για Q= Σχήμα 88: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα για Q= Σχήμα 89: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC ανορθωτή για x=.28pu και fs=165hz Σχήμα 9: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC αντιστροφέα για x=.28pu και fs=165hz Σχήμα 91: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό του VSC αντιστροφέα για x=.28pu και fs=165hz Σχήμα 92: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC ανορθωτή για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz Σχήμα 93: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz Σχήμα 94: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό του VSC ανορθωτή για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz Σχήμα 95: dc τάση στον θετικό πόλο στο τερματικό του VSC ανορθωτή για C=11μF και τ=17.6ms Σχήμα 96: Κυμάτωση του dc ρεύματος στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=4mH με αντίσταση.15ω σε σειρά Σχήμα 97: 1.28% κυμάτωση του dc ρεύματος στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά Σχήμα 98: 1.25% κυμάτωση της dc τάσης του VSC ανορθωτή στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά Σχήμα 99: 1.27% κυμάτωση της dc τάσης του VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά Σχήμα 1: Αρμονικές dc τάσης VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο χωρίς dc φίλτρο Σχήμα 11: Αρμονικές dc τάσης του VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο με dc φίλτρο Σχήμα 12: Διάγραμμα εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος για την μέθοδο modulus optimum112 7

8 Σχήμα 13: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Σχήμα 14: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς κλειστού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Σχήμα 15 : Διάγραμμα Νyquist συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Σχήμα 16: Διάγραμμα Νyquist συνάρτησης μεταφοράς κλειστού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Σχήμα 17: Συνιστώσες ρεύματος dq του VSC ανορθωτή και αντιστροφέα με τα βέλτιστα κέρδη Σχήμα 18: Διάγραμμα ελεγκτή dc τάσης για την εφαρμογή της μεθόδου symmetrical optimum Σχήμα 19: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελεγκτή dc τάσης σχεδιασμένη με την μέθοδο symmetrical optimum Σχήμα 11 : Διάγραμμα Nyquist συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελεγκτή dc τάσης σχεδιασμένη με την μέθοδο symmetrical optimum Σχήμα 111: dc τάση στο VSC αντιστροφέα θετικού πόλου και συνολική με τα βέλτιστα κέρδη Σχήμα 112 Μοντέλο με CBs στην dc πλευρά των VSC Σχήμα 113: Dc υπερτάση kV στον θετικό πόλο του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γράμμης) Σχήμα 114: Dc ρεύματα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γράμμης) Σχήμα 115: Άεργος ισχύς στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 116: Ενεργός ισχύς στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 117: Tριφασική τάση στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 118: Tριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής). Μέγιστο φάσης Α 2.964pu=2.139kA Σχήμα 119: Συνιστώσα q ρεύματος στον ζυγό του ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 12: Dc υπερτάση kV θετικού πόλου VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 121: Άεργος ισχύς στο ζυγό B2 του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 122: Τριφασική τάση στο PCC του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 123: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Σχήμα 124: Εκτροπείς υπερτάσεων στον HVDC υποσταθμό Σχήμα 125: Χαρακτηριστικές τάσης-ρεύματος εκτροπέων υπερτάσεων Σχήμα 126: Συνδεσμολογία εκτροπέων υπερτάσεων στο μοντέλο Σχήμα 127: Τυπικός μεταγωγέας τάσης Σχήμα 128: Μοντέλο OLTC

9 Σχήμα 129: Μοντέλο SFCL Σχήμα 13: Dc τάση στον θετικό πόλο του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL). Μέγιστο kV Σχήμα 131: Dc ρεύματα στους πόλους (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Σχήμα 132: Άεργος ισχύς στο PCC VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Σχήμα 133: Τριφασική τάση στο PCC του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Σχήμα 134: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Σχήμα 135: Dc τάση στον θετικό πόλο του VSC αντιστροφέα (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL). Μέγιστο kv Σχήμα 136: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC αντιστροφέα (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Σχήμα 137: Μονοφασικό ισοδύναμο VSC-HVDC συστήματος στην στάσιμη κατάσταση. Ροή ενεργού και άεργου ισχύος Σχήμα 138: Απώλειες μετάβασης IGBT Σχήμα 139: Απώλειες σβέσης διόδου συναρτήσει του ρεύματος Σχήμα 14: Απόκριση ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων,ρευμάτων dq και συντελεστή διαμόρφωσης του VSC ανορθωτή σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος Σχήμα 141: Aπόκριση dc ρευμάτων πόλων, dc τάσης, ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων,ρευμάτων dq και συντελεστή διαμόρφωσης του VSC αντιστροφέα σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος Σχήμα 142: Απόκριση ενεργού και άεργου ισχύος,τριφασικού ρεύματος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων και συνιστώσας d ρεύματος του VSC ανορθωτή στην βύθιση τάσης με τροποποιημένες παραμέτρους ελέγχου Σχήμα 143: Ροή ρεύματος βραχ/σης στον VSC σε σφάλμα πόλου-γης Σχήμα 144: Ροή ρεύματος βραχ/σης στον VSC σε σφάλμα πόλου-πόλου Σχήμα 145: Bασική διάταξη ενός HVDC ΔΙ Σχήμα 146: Λειτουργία HVDC ΔΙ κατά την διάρκεια σφάλματος Σχήμα 147: HVDC ΔΙ τύπου solid-state Σχήμα 148: Υβριδικός HVDC ΔΙ Σχήμα 149: IGBT ΔΙ Σχήμα 15: Ισοδύναμο κύκλωμα συσκευής ETO και αντικατάσταση της αντιπαράλληλης διόδου του IGBT με ΕΤΟ Σχήμα 151: Μοντέλο για την προσομοίωση του IGBT ΔΙ και των dc σφαλμάτων Σχήμα 152: Απόκριση Dc τάσεων VSC ανορθωτή, dc ισχύος αποστολής,dc ρευμάτων, dc τάσεων VSC αντιστροφέα και ισορροπία dc τάσεων πόλων στα dc σφάλματα (με IGBT ΔΙ) Σχήμα 153: Απόκριση τριφασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων και τριφασικού ρεύματος του VSC αντιστροφέα, τριφασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων και τριφασικού ρεύματος του VSC ανορθωτή στα dc σφάλματα (με IGBT ΔΙ) Σχήμα 154: Ασυμμετρία τάσεων και ρευμάτων στην ac πλευρά του VSC αντιστροφέα Σχήμα 155: Μοντέλο για την προσομοίωση των ac σφαλμάτων στο VSC-HVDC σύστημα

10 Σχήμα 156: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος, ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC, dc τάσης, ρευμάτων dq, συντελεστή διαμόρφωσης και dc ισχύος αποστολής του VSC ανορθωτή στα ac σφάλματα Σχήμα 157: Απόκριση dc ρευμάτων πόλων, dc τάσης, ενεργού και άεργου ισχύος, τριφασικής τάσης και ρεύματος, συντελεστή διαμόρφωσης και ρευμάτων dq του VSC αντιστροφέα στα ac σφάλματα Σχήμα 158: Ασυμμετρία ρευμάτων στο PCC του VSC αντιστροφέα κατά την διάρκεια του μονοφασικού ac σφάλματος Σχήμα 159: Διαφορική προστασία VSC-HVDC συστήματος δύο τερματικών Σχήμα 16: Αρχή λειτουργίας της διαφορικής προστασίας a) Κανονική λειτουργία b) Εσωτερικό σφάλμα (εντός της προστατευμένης ζώνης) Σχήμα 161: a) Άνοψη ρελέ τύπου χρόνου-υπερρεύματος b) Πλάγια όψη Σχήμα 162: Σύστημα προστασίας VSC-HVDC συστήματος Σχήμα 163: Καλώδια γείωσης για την προστασία εναέριων γραμμών μεταφοράς Σχήμα 164: Μοντέλο CSC-HVDC συστήματος Σχήμα 165: Συνδεσμολογία δωδεκαπαλμικού CSC και μοντέλο ανορθωτή Σχήμα 166: Ζήτηση άεργου ισχύος συναρτήσει της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος Σχήμα 167: Μοντέλο ac φίλτρων CSC υποσταθμού Σχήμα 168: Μοντέλο master controller Σχήμα 169: Μοντέλο συστήματος ελέγχου και προστασίας CSC ανορθωτή Σχήμα 17: Μοντέλο συστήματος ελέγχου και προστασίας CSC αντιστροφέα Σχήμα 171: Moντέλο ελεγκτή CSC ανορθωτή και αντιστροφέα Σχήμα 172: Γωνία σβέσης θυρίστορ Σχήμα 173: Διάγραμμα ελεγκτών CSC αντιστροφέα Σχήμα 174: Χαρακτηριστικές v-i ελεγκτή VDCOL Σχήμα 175: Χαρακτηριστικές v-i CSC μοντέλου Σχήμα 176: Τροποποιημένες χαρακτηριστικές v-i CSC μοντέλου Σχήμα 177: Μοντέλο δωδεκαπαλμικής γεννήτριας Σχήμα 178: Ακολουθία αγωγής θυρίστορ δωδεκαπαλμικού CSC Σχήμα 179: Αντιστοιχία παλμών για τον δωδεκαπαλμικό CSC Σχήμα 18: Λεπτομέρεια αγωγής θυρίστορ Σχήμα 181: Λεπτομέρεια ελέγχου αγωγής θυρίστορ δωδεκαπαλμικού CSC ανορθωτή στο μοντέλο Σχήμα 182: Μοντέλο λειτουργίων προστασία του CSC ανορθωτή Σχήμα 183: Μοντέλο λειτουργιών προστασίας CSC αντιστροφέα Σχήμα 184: Βlock Commutation failure Prevention Control Σχήμα 185: Απόκριση συχνότητας ac συστημάτων και dc γραμμής Σχήμα 186: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Brect Σχήμα 187: Αρμονικές ρεύματος στο PCC Σχήμα 188: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Βinv Σχήμα 189: Aρμονικές ρεύματος στο PCC Σχήμα 19: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Brect για Xc=.4pu Σχήμα 191: Αρμονικές ρεύματος στο PCC1 για Xc=.4pu Σχήμα 192: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Binv για Xc=.4pu... 2 Σχήμα 193: Αρμονικές ρεύματος στο PCC2 για Xc=.4pu

11 Σχήμα 194: Αρμονικές dc τάσης CSC αντιστροφέα Σχήμα 195: Αρμονικές dc ρεύματος Σχήμα 196: Μοντέλο CSC-HVDC συστήματος με dc φίλτρα και αυξημένες αυτεπαγωγές εξομάλυνσης Σχήμα 197: Αρμονικές dc τάσης CSC αντιστροφέα με dc φίλτρα και L=.9H Σχήμα 198: Αρμονικές dc ρεύματος με dc φίλτρα και L=.9H Σχήμα 199: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Brect, dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, dc ισχύος αποστολής του CSC ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 2: Απόκριση dc τάσης, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, γωνίας γ, dc ισχύος παραλαβής, τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Binv του CSC αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 21: Απόκριση ισχύων στα PCC1 και PCC2 στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 22: Γωνία γ αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 23: Γωνία μ αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Σχήμα 24: Απώλειες έναυσης θυρίστορ Σχήμα 25: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Brect, dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου και dc ισχύος αποστολής CSC ανορθωτή σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος Σχήμα 26: Απόκριση τριφασική τάσης και ρεύματος του Binv, dc τάσης, γωνίας α, γωνίας γ και λειτουργίας ελέγχου CSC αντιστροφέα σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος Σχήμα 27: Απόκριση ισχύων των PCC1 και PCC2 σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής ισχύος Σχήμα 28: Μοντέλο για την προσομοίωση dc σφαλμάτων στο CSC-HVDC σύστημα Σχήμα 29: Απόκριση dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, dc ισχύος αποστολής, τριφασικής τάσης και ρεύματος στον ζυγό Brect του CSC ανορθωτή στα dc σφάλματα Σχήμα 21: Απόκριση dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, γωνίας γ, λειτουργία ελέγχου, dc ισχύος παραλαβής, τριφασικής τάσης και ρεύματος Binv του CSC αντιστροφέα στα dc σφάλματα Σχήμα 211: Μοντέλο για την προσομοίωση των ac σφαλμάτων στο CSC-HVDC σύστημα Σχήμα 212: Απόκριση dc τάσης, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, τριφασικής και ρεύματος Brect του CSC ανορθωτή στα ac σφάλματα Σχήμα 213: Απόκριση dc ρεύματος, dc ισχύος παραλαβής, γωνίας α, γωνίας γ, λειτουργίας ελέγχου, τριφασικής τάσης και ρεύματος Binv του CSC αντιστροφέα στα ac σφάλματα Σχήμα 214: Απόκριση ισχύων PCC1 KAI PCC2 και σήμα D_alpha στα ac σφάλματα Σχήμα 215: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια 3φ σφάλματος στο PCC αντιστροφέα Σχήμα 216: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια 1φ σφάλματος στο PCC αντιστροφέα

12 Σχήμα 217: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια σφάλματος γραμμής-γραμμής στο PCC αντιστροφέα

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Dc μεταφορά ισχύος Σύγκριση HVDC και HVAC συστημάτων μεταφοράς Εκτίμηση κόστους μεταφοράς Αξιολόγηση τεχνικών θεμάτων Εφαρμογές dc μεταφοράς Τύποι HVDC διασυνδέσεων Πολυτερματικά DC συστήματα (Multiterminal DC Systems) Βασικός εξοπλισμός και έννοιες HVDC συστήματος Μετατροπείς HVDC συστήματος Δωδεκαπαλμικός μετατροπέας (CSC) Μετασχηματιστές μετατροπέων (converter transformers) Μετατροπέας πηγής τάσης (VSC) Διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse width modulation) Θυρίστορ (thyristor) Θυρίστορ ελεγχόμενο από την πύλη (Gate turn-off thyristor) Διπολικό τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (Insulated Gate Bipolar Transistor) Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης (smoothing reactors) Φασικές επαγωγικές αντιδράσεις (phase reactors) Ενεργά φίλτρα (Active filters) Παθητικά ac και dc φίλτρα HVDC καλώδια Λόγος βραχυκύκλωσης (Short Circuit Ratio) Aποτυχία μεταγωγής (Commutation failure) Γωνίες της γέφυρας του CSC Έλεγχος HVDC συστημάτων Τοπολογία CSC-HVDC συστήματος Έλεγχος CSC-HVDC συστήματος Κύριος ελεγκτής (Master controller) Περιθώριο ρεύματος (Current margin) Περιορισμός της τάξης του ρεύματος από την τάση (Voltage Dependent Current Order Limit) Τοπολογία VSC-HVDC συστήματος Ικανότητα μεταφοράς ισχύος του VSC-HVDC συστήματος

14 3.5 Άμεσος έλεγχος ισχύος (Direct Power Control) Έλεγχος διανύσματος (Vector control) Εσωτερικός ελεγκτής ρεύματος (Inner Current Controller) Εξωτερικοί ελεγκτές (Outer controllers) Ελεγκτής ενεργού ισχύος (Active power controller) Ελεγκτής άεργου ισχύος (Reactive power controller) Ελεγκτής dc τάσης (Dc voltage controller) Ελεγκτής ac τάσης (Αc voltage controller) Υλοποίηση VSC-HVDC συστήματος Περιγραφή μοντέλου Εκκίνηση συστήματος και στάσιμη κατάσταση Μείωση αρμονικών στην ac πλευρά Μείωση της κυμάτωσης της τάσης και του ρεύματος στην dc πλευρά Βελτιστοποίηση των κερδών των ελεγκτών Μεταβατικά φαινόμενα στην εκκίνηση του συστήματος Ανάλυση ισχύος στην στάσιμη κατάσταση Βηματικές αλλαγές και αντιστροφή της ροής ισχύος Dc σφάλματα και dc προστασία Ac σφάλματα και ac προστασία Σύστημα προστασίας VSC-HVDC συστήματος Υλοποίηση CSC-HVDC συστήματος Περιγραφή μοντέλου Αρμονικές στην ac πλευρά και κυμάτωση στην dc πλευρά Εκκίνηση και στάσιμη κατάσταση συστήματος Βηματικές αλλαγές και αντιστροφή της ροής ισχύος Dc σφάλματα Ac σφάλματα Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

15 1. Dc μεταφορά ισχύος 1.1 Σύγκριση HVDC και HVAC συστημάτων μεταφοράς Η εκτίμηση του κόστους μεταφοράς, τα τεχνικά θέματα και η αξιοπιστία είναι καθοριστικοί παράγοντες για την επιλογή του κατάλληλου συστήματος μεταφοράς AC ή DC Εκτίμηση κόστους μεταφοράς Το κόστος μιας γραμμής μεταφοράς αποτελείται από το κόστος των υποδομών( π.χ. όδευση των γραμμών(right of Way), πυλώνες, αγωγοί, μονωτήρες, τερματικός εξοπλισμός) και από το κόστος λειτουργίας(π.χ. ηλεκτρικές απώλειες) [5][99]. Έστω ένα τριφασικό HVAC δίκτυο μεταφοράς απλού κυκλώματος και ένα διπολικό HVDC δίκτυο μεταφοράς που μεταφέρουν ίση ισχύ P υπό ίση μέγιστη τάση V χρησιμοποιώντας αγωγούς ίσης διατομής (αντίσταση R). Η μεταφερόμενη ισχύς δίνεται από τις σχέσεις (1.1) (1.2) [98]: HVDC δίκτυο: P= 2* V * I dc (Σχέση 1.1) V HVAC δίκτυo: P= 3* * Iac *cos ϕ (Σχέση 1.2) 2 Εξισώνοντας προκύπτει, I = * I = * I (Σχέση1.3) ac 3cosϕ dc cosϕ dc Οι απώλειες ισχύος P L και για τα δύο δίκτυα υπολογίζονται ως εξής: HVDC δίκτυο: HVAC δίκτυo: P = I R Ldc 2 2* dc * (Σχέση1.4) P 3* * 3*( * ) * * * (Σχέση1.5) L α = I R= I R= I R c ac 2 3cosϕ dc 3cos ϕ dc Επομένως, P Ldc = 4 3 cos 2 ϕ * PL α c (Σχέση1.6) Η διαφορά στις απώλειες ισχύος είναι ακόμη μεγαλύτερη εάν ληφθεί υπόψη στην ανάλυση η μεγαλύτερη αντίσταση των αγωγών υπό HVAC. Στην περίπτωση που τα δύο δίκτυα μεταφέρουν ίση ισχύ P, υπό ίση μέγιστη τάση, στην ίδια απόσταση (L) με ίσες απώλειες, εάν ρ, R dc, A dc και R ac, A ac, είναι η ειδική αντίσταση, οι αντιστάσεις και οι διατομές των αγωγών των HVDC και HVAC γραμμών αντίστοιχα, τότε: 15

16 HVDC δίκτυο: P P P ρl I P R 2 2 dc = Ldc = ( ) * dc = ( ) * (Σχέση1.7) V V V Adc HVAC δίκτυo: 2P 2P P ρl I P R 2 2 ac = Lα c = ( ) * ac = 2*( ) * (Σχέση1.8) 2 V cosϕ V cos ϕ V Aac *cos ϕ Εξισώνοντας τις απώλειες ισχύος προκύπτει: A dc 2 cos ϕ = * Aac (Σχέση 1.9) 2 Eάν τα δύο δίκτυα μεταφοράς χρησιμοποιούν αγωγούς ίδιας διατομής που μεταφέρουν ίσο ρεύμα και έχουν την ίδια στάθμη μόνωσης, η συνεχής τάση V dc είναι ίση με τη μέγιστη τιμή της εναλλασσόμενης τάσης V ac, η ισχύς μεταφοράς ανά αγωγό, εάν υποθέσουμε ότι τα δίκτυα μεταφοράς είναι δύο αγωγών, υπολογίζεται αντίστοιχα: HVDC δίκτυο: P = V * I (Σχέση 1.1) dc dc dc HVAC δίκτυo: P = V * I *cos ϕ (Σχέση 1.11) ac ac ac Εφόσον Idc = Iac και Vdc = 2V ac προκύπτει για αγωγούς μεταφοράς ίδιας διατομής P dc 2 = Pac (Σχέση 1.12). cosϕ Στο σχήμα 1 γίνεται σύγκριση των απωλειών ισχύος γραμμών μεταφοράς για τα δύο συστήματα συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς. Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι ένα HVDC δίκτυο μεταφοράς μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ισχύ ανά αγωγό ενώ για την ίδια μεταφερόμενη ισχύ έχει λιγότερες απώλειες ισχύος σε σχέση με ένα HVAC δίκτυο μεταφοράς. Κατά συνέπεια ένα HVDC δίκτυο χρειάζεται μικρότερες οδεύσεις γραμμών, πιο απλούς και φθηνούς πυλώνες, αγωγούς και μονωτήρες μικρότερου κόστους (σχήμα 2-4). 16

17 Σχήμα 1: Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς 12MW συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Σχήμα 2: Τα AC δίκτυα τείνουν να είναι πιο οικονομικά από τα DC για αποστάσεις μικρότερες από την κρίσιμη απόσταση (breakeven distance) αλλά πιο δαπανηρά για μεγαλύτερες αποστάσεις.η κρίσιμη απόσταση ποικίλει από 4 εώς 7km για τις εναέριες γραμμές και από 25 εώς 5 km για τα υπόγεια δίκτυα. Σχήμα 3: Σύγκριση της όδευσης γραμμών ac και dc δικτύων μεταφοράς 2MW 17

18 Σχήμα 4: Κόστη εγκατάστασης εναέριων συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Οι απώλειες κορώνα (corona losses) είναι πολύ πιο σημαντικές στoυς ac παρά στους dc αγωγούς. Η εξάρτηση τους από τις καιρικές συνθήκες φαίνεται στο σχήμα 1.4 Σχήμα 5: Σύγκριση μεταξύ AC και DC απωλειών κορώνα Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος γραμμής είναι το κόστος αντιστάθμισης και το κόστος του τερματικού εξοπλισμού. Οι dc γραμμές δεν χρειάζονται αντιστάθμιση άεργου ισχύος, όμως το κόστος του τερματικού εξοπλισμού αυξάνεται λόγω των μετατροπέων και των φίλτρων [98][17]. 18

19 1.1.2 Αξιολόγηση τεχνικών θεμάτων Λόγω της γρήγορης ελεγξιμότητάς του, τo HVDC σύστημα μεταφοράς έχει τον πλήρη έλεγχο της μεταφερόμενης ισχύος,όπως και την ικανότητα να βελτιώσει την ευστάθεια συνδεδεμένων ac δικτύων και να περιορίσει τα σφάλματα στις dc γραμμές. Πιο αναλυτικά, η dc διασύνδεση μπορεί να αντιμετώπισει αρκετά από τα προβλήματα που σχετίζονται με την ac διασύνδεση [5][35]. - Όρια ευστάθειας: Η μεταφορά ισχύος σε μια ac γραμμή εξαρτάται από την διαφορά φάσης των τάσεων στα άκρα της γραμμής. Για δοσμένη μεταφερόμενη ισχύ η διαφορά φάσης αυξάνεται με την απόσταση. Η μέγιστη μεταφερόμενη ισχύς καθορίζεται από την εκτίμηση της ευστάθειας στην στάσιμη κατάσταση (steady state) και κατά την μεταβατική κατάσταση (transient). Η μεταφερόμενη ισχύς μιας ac γραμμής είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταφοράς, ενώ η αντίστοιχη μεταφερόμενη ισχύς μιας γραμμής dc είναι ανεξάρτητη από την απόσταση μεταφοράς. - Έλεγχος της τάσης: O έλεγχος της τάσης στις ac γραμμές είναι πολύπλοκος λόγω της φόρτισης της γραμμής και των πτώσεων της τάσης. Το προφίλ της τάσης σε μια γραμμή ac είναι σχετικά επίπεδο μόνο για εκείνο το επίπεδο μεταφοράς ισχύος που αντιστοιχεί στο φορτίο κρουστικής αντίστασης (Surge Impendance Loading). Γενικά το προφίλ της τάσης μεταβάλλεται με το φορτίο. Για σταθερή τάση στα άκρα, η τάση στο μέσο της γραμμής μειώνεται για φορτίο μεγαλύτερο του φορτίου κρουστικής αντίστασης και αυξάνεται για φορτίο μικρότερο του φορτίου κρουστικής αντίστασης. Η διατήρηση της σταθερής τάσης στα δύο άκρα της γραμμής απαιτεί έλεγχο της άεργου ισχύος καθώς αυξάνεται το φορτίο της γραμμής. Η απαίτηση άεργου ισχύος αυξάνεται με το φορτίο. Αν και οι σταθμοί με μετατροπείς dc απαιτούν άεργη ισχύ η οποία σχετίζεται με την μεταφερόμενη ισχύ, η dc γραμμή δεν χρειάζονται αντιστάθμιση άεργου ισχύος. Επίσης τα χωρητικά ρεύματα ρεύματα στάσιμης κατάστασης στα καλώδια ac δημιουργούν σοβαρά προβήματα και μειώνουν την κρίσιμη απόσταση περίπου στα 5km. - Αντιστάθμιση γραμμής: Η αντιστάθμιση γραμμής είναι απαραίτητη για μεταφορά ac σε μεγάλη απόσταση λόγω της χωρητικής φόρτισης της γραμμής και των περιορισμών ευστάθειας. Η αύξηση της μεταφοράς ισχύος και ο έλεγχος της τάσης είναι δυνατόν να επιτευχθούν μέσω επαγωγών εν παραλλήλω (shunt inductors), πυκνωτών εν σειρά (series capacitors), μέσω στατικών αντισταθμιστών άεργου ισχύος (Static Var Compensators) και μέσω στατικών σύγχρονων αντισταθμιστών (STATCOMs). - Προβλήματα της AC διασύνδεσης: Η διασύνδεση δύο συστημάτων μέσω ac γραμμής μεταφοράς απαιτεί την συνεργασία αυτοματοποιημένων ελεγκτών και των δύο συστημάτων μέσω σημάτων ισχύος ή συχνότητας. Ακόμα και με τον συντονισμένο έλεγχο των διασυνδεμένων συστημάτων, η λειτουργία της γραμμής μεταφοράς μπορεί να είναι προβληματική εξαιτίας: 1.της παρουσίας μεγάλων ταλαντάσεων στην ισχύ που μπορούν να οδηγήσουν σε συχνές διακοπές (frequent tripping) 2.της αύξησης του επιπέδου των σφαλμάτων 3.της διάδοσης των διαταραχών από το ένα σύστημα προς το άλλο. Η γρήγορη ελεγξιμότητα της ροής ισχύος στις dc γραμμές εξαλείφει όλα τα παραπάνω προβλήματα. Επιπλέον, η διασύνδεση δύο ασύγχρονων συστημάτων μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω dc διασύνδεσης. 19

20 - Αντίσταση του εδάφους: Σε μια ac γραμμή η ύπαρξη ρευμάτων γης δεν μπορεί να επιτραπεί στην στάσιμη κατάσταση εξαιτίας της υψηλής αντίστασης του εδάφους, τα οποία όχι μόνο επηρεάζουν την μεταφορά ενεργού ισχύος αλλά δημιουργούν και τηλεφωνικές παρεμβολές. Η αντίσταση του εδάφους είναι αμελητέα για dc ρεύμα και μία dc διασύνδεση μπορεί να λειτουργήσει με ένα αγωγό και επιστροφή μέσω γης (μονοπολική διασύνδεση). Η επιστροφή μέσω του εδάφους είναι ανεπιθύμητη μόνο όταν γειτονικά είναι θαμμένες μεταλλικές κατασκευές όπως σωλήνες με αποτέλεσμα να ρέει dc ρεύμα σε αυτές και να προκαλείται η διάβρωση τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμα και κατά την μονοπολική λειτουργία, το ac δίκτυο που τροφοδοτεί τον μετατροπέα dc του υποσταθμού λειτουργεί με ισορροπημένες (balanced) τάσεις και ρεύματα. Συνεπώς η μονοπολική λειτουργία μιας dc μεταφοράς είναι δυνατή για μεγάλο χρονικό διάστημα,ενώ στην ac μεταφορά η μονοπολική λειτουργία ή οποιαδήποτε μη ισορροπημένη λειτουργία δεν είναι εφικτή για περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο. - Προβλήματα της dc μεταφοράς ισχύος: Η εφαρμογή της dc μεταφοράς ισχύος περιορίζεται από παράγοντες όπως το υψηλό κόστος του εξοπλισμού μετατροπής, η δυσκολία στην χρήση μετασχηματιστών, η παραγωγή αρμονικών, η ζήτηση άεργου ισχύος και η πολυπλοκότητα του ελέγχου. Παρ όλα αυτά έχουν γίνει σημαντικά βήματα στην τεχνολογία dc με αποτέλεσμα να αντιμετωπίζονται τα προβλήματα που αναφέρθηκαν εκτός από την χρήση μετασχηματιστών. Τα βήματα είναι η βελτίωση των προδιαγραφών των θυρίστορ που αποτελούν μια βαλβίδα, η αρθρωτή κατασκευή των βαλβίδων θυρίστορ (thyristor valves), η λειτουργία 12 παλμών ή περισσοτέρων των μετατροπέων, η χρήση της εξαναγκασμένης μεταγωγής (forced commutation) και η εφαρμογή ψηφιακών ηλεκτρονικών και οπτικών ινών στον έλεγχο των μετατροπέων Εφαρμογές dc μεταφοράς Υπόγεια ή υποθαλάσσια καλώδια: Στην περίπτωση καλωδίων μεγάλου μήκους που υπερβαίνουν την κρίσιμη απόσταση των 4-5km, η dc μεταφορά έχει σαφές πλεονέκτημα έναντι της ac.παραδείγματα αυτής της εφαρμογής είναι τα συστήματα στο Gotland (1954) και στην Σαρδηνία (1967). Η ανάπτυξη των μετατροπέων πηγής τάσης (Voltage Source Converters) και των πολυμερών dc,σε συνδυασμό με την τεχνολογία HVDC Light, υιοθετείται όλο και περισσότερο. Ένα παράδειγμα αυτής της εφαρμογής είναι η διασύνδεση Directlink (2) 18MW στην Αυστραλία. Μεγάλα διασυνδεμένα συστήματα (Bulk Power Systems): Για αποστάσεις μεγαλύτερες της κρίσιμης απόστασης τα BPS είναι πιο οικονομικά από τα ac και όσο περισσότερο εξελιγμένα ηλεκτρονικά ισχύος εφαρμόζεται στους μετατροπείς των υποσταθμών τόσο μειώνεται η κρίσιμη απόσταση. Ένα HVΑC σύστημα 2 MW και 8 kv θα χρειαζόταν όδευση γραμμών 75m σε πλάτος,ενώ ένα HVDC σύστημα 3 MW και 5 kv θα χρειαζόταν μόλις 5m. Παραδείγματα αυτής της εφαρμογής είναι οι διασυνδέσεις στην Κίνα και στην Ινδία. Ασύγχρονη διασύνδεση ac συστημάτων: Για την διασύνδεση ασύγχρονων συστήματων ενδείκνυεται η dc επιλογή. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα back-to-back συνδέσεων όπου δύο ac συστήματα συνδέθηκαν μεταξύ προς όφελος και των δύο συστημάτων. Με την ανάπτυξη των τεχνικών ελέγχουν αυτές οι διασυνδέσεις επικεντρώνονται στα αδύναμα ac 2

21 συστήματα (weak ac systems). Η ανάπτυξη των back-to-back διασυνδέσεων περιγράφεται καλύτερα με το παράδειγμα της Β.Αμερικής όπου 4 ανεξάρτητα συστήματα διασυνδέθηκαν μέσω 12 back-to-back συνδέσεων. Όταν οι back-to-back γίνονται με μετατροπείς πηγής τάσης προσφέρουν την δυνατότητα για λειτουργία σε 4 τεταρτημόρια και τον πλήρη έλεγχο της ενεργού και άεργης ισχύος σε συνδυασμό με μικρότερη μικρότερη αρμονική παραμόρφωση. Σταθεροποίηση της ροής ισχύος στα ολοκληρωμένα συστήματα ισχύος (Integrated Power Systems): Στα μεγάλα διασυνδεμένα συστήματα η ροή ισχύος στις ac συνδέσεις (ιδιαίτερα κάτω από συνθήκες διαταραχών) μπορεί να γίνει ανεξέλεγκτη και να οδηγήσει σε υπερφόρτωση και σε προβλήματα ευστάθειας. Dc γραμμές εγκατεστημένες με ειδικό σχεδιασμό μπορούν να ξεπεράσουν αυτό το προβλημα χάρη στην γρήγορη ελεγξιμότητα της dc ισχύος και να παρέχουν το σωστό χρόνο απόσβεσης. Ο σχεδιασμός αυτών των συστημάτων απαιτεί λεπτομερή έρευνα για να αξιολογηθούν τα πλεονεκτήματα.παραδείγματα αυτής της εφαρμογής είναι η διασύνδεση IPP στις ΗΠΑ και η διασύνδεση Chandrapur-Padghe στην Ινδία [5]. Υπεράκτια αιολικά πάρκα (offshore wind parks): Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα αποτελούν μια πρόκληση. Η διασύνδεση τους μπορεί να γίνει είτε με HVAC είτε με HVDC ανάλογα με την απόσταση, η οποία όταν υπερβαίνει τα 4-7 km η HVDC διασύνδεση συμφέρει περισσότερο. Όταν ένα αιολικό πάρκο συνδέεται στο κύριο δίκτυο (main grid) μέσω του VSC συστήματος μεταφοράς, τότε το αιολικό πάρκο αποσυνδέεται από το κύριο δίκτυο, πράγμα που έχει ως αποτέλεσμα αρκετά τεχνικά και οικονομικά οφέλη για τους διαχειριστές του συστήματος και τους κατασκευαστές αιολικών γεννητριών. Ένα άλλο ισχυρό πλεονέκτημα αυτής της εφαρμογής είναι ότι τα ac σφάλματα που εμφανίζονται στο αιολικό πάρκο δεν διαδίδονται μέσω του VSC συστήματος μεταφοράς στο κύριο δίκτυο. Τα υπεράκτια αιολικά πάρκα εντοπίζονται κυρίως σε υφαλοκρηπίδες μακριά από τις ακτογραμμές. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της εφαρμογής είναι τα μεγάλα υπεράκτια αιολικά πάρκα στην Βόρεια Θάλασσα και στην Βαλτική [5][1]. Παροχή ηλεκτρικής ισχύος σε πλατφόρμες πετρελαίου και φυσικού αερίου από την ακτή: Τα κίνητρα για αυτή την εφαρμογή είναι η μείωση του κόστους παραγωγής ισχύος και η μείωση εκπομπής CO 2, καθώς η ισχύς που παράγεται στην ακτή παράγει πολύ λιγότερες εκπομπές CO 2. Παράδειγμα αυτής της εφαρμογής είναι η παροχή ισχύος στην πλατφόρμα Valhall στην Βόρεια Θάλασσα [1]. Προς το παρόν οι γραμμές dc σε ένα δίκτυο είναι πολύ λιγότερες σε σύγκριση με τον αριθμό των ac γραμμών.αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι η dc μεταφορά ενδείκνυται μόνο για ορισμένες περιπτώσεις. Αν και αναμένεται τα πολυτερματικά dc συστήματα (Multi-terminal DC systems) να αυξήσουν τις εφαρμογές της dc μεταφοράς, δεν αναμένεται ότι τα ac δίκτυα θα αντικατασταθούν από dc δίκτυα στο μέλλον [5][11]. Οι κύριοι λόγοι είναι δύο: - O έλεγχος και η προστασία των πολυτερματικών dc συστημάτων είναι πολύπλοκα και η αδυναμία μετασχηματισμού της τάσης στα dc δίκτυα είναι σοβαρό πρόβλημα. - Η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος έχει σαν αποτέλεσμα την βελτίωση της απόδοσης της ac μεταφοράς χρησιμοποιώντας συσκευές FACTS (Flexible AC Transmission Systems). Επίσης πολλά συστατικά του HVDC συστήματος βρίσκονται ακόμα υπό έρευνα όσο αφορά την απόδοση και το κόστος. Συνοπτικά τα πλεονεκτήματα και μειονέκτημα της HVDC μεταφοράς είναι τα εξής [99][14]: Πλεονεκτήματα: Μεγαλύτερη ισχύς ανά αγωγό. Ευκολότερη κατασκευή της γραμμής και μικρότεροι πυλώνες μεταφοράς. 21

22 Μικρότερο πλάτος για την όδευση γραμμών. Απαιτείται μόλις το 1/3 των αγωγών ενός ac κυκλώματος. Μια διπολική HVDC γραμμή χρησιμοποιεί δύο ομάδες μονωμένων αγωγών αντί για τρεις. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί η γη ως επιστροφή. Κάθε αγωγός μπορεί να λειτουργήσει σαν ανεξάρτητο κύκλωμα. Δεν υπάρχουν χωρητικά ρεύματα στην στάσιμη κατάσταση. Δεν υπάρχει το επιδερμικό φαινόμενο όπως στο ac. Εξοικονόμηση περίπου 3% στην κατασκευή της γραμμής μεταφοράς. Χαμηλότερες απώλειες ισχύος. Ο συντελεστής ισχύος είναι πάντα μοναδιαίος. Η γραμμή μεταφοράς δεν χρειάζεται αντιστάθμιση. Η σύγχρονη λειτουργία δεν είναι προϋπόθεση. Άρα είναι εφικτή η διασύνδεση ασύγχρονων ac δικτύων. Η απόσταση μεταφοράς δεν περιορίζεται από την ευστάθεια. Χαμηλό dc ρεύμα βραχυκύκλωσης. Δεν συνεισφέρει στα βραχυκυκλώματα ενός ac συστήματος. Μικρές απώλειες κορόνα και τηλεπικοινωνιακές παρεμβολές. Δεν υπάρχει φυσικός περιορισμός που να περιορίζει την απόσταση ή την ισχύ μεταφοράς για τα υπόγεια και τα υποθαλάσσια καλώδια. Η μεταφερόμενη ισχύς ελέγχεται εύκολα. Μειονέκτηματα: Οι μετατροπείς είναι ακριβοί. Οι μετατροπείς χρειάζονται μεγάλα ποσά άεργου ισχύος. Η πολυτερματική λειτουργία δεν είναι εύκολη. Οι μετατροπείς παράγουν αρμονικές και χρειάζονται φίλτρα αρμονικών. Η κρίσιμη απόσταση επηρεάζεται από το κόστος όδευσης των γραμμών και το κόστος κατασκευής της γραμμής. Συχνά έχει μεγάλη τιμή και συμφέρει οικονομικά η ac επιλογή. 1.2 Τύποι HVDC διασυνδέσεων Οι κυριότεροι τύποι point-to-point διασυνδέσεων είναι οι εξής: Μονοπολική διασύνδεση: Η μονοπολική διασύνδεση έχει ένα αγωγό και χρησιμοποιεί επιστροφή είτε μέσω εδάφους είτε μέσω θάλασσας. Μια μεταλλική επιστροφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρχει αρμονική παρεμβολή ή διάβρωση. Σε εφαρμογές με dc καλώδια όπως το HVDC Light χρησιμοποιείται η επιστροφή καλωδίου. Επειδή το φαινόμενο κορώνα στα dc καλώδια είναι σημαντικά περιορισμένο με αρνητική πολικότητα του αγωγού σε σύγκριση με θετική πολικότητα, η μονοπολική διασύνδεση συνήθως λειτουργεί με αρνητική πολικότητα. Διπολική διασύνδεση: Η διπολική διασύνδεση έχει δύο αγωγούς, ένα θετικό και έναν αρνητικό. Σε κάθε τέρμα της γραμμής υπάρχουν δύο ομάδες μετατροπέων, σε σειρά στην dc πλευρά. Ο κόμβος μεταξύ των δύο ομάδων μετατροπέων γειώνονται στο ένα ή και στα δύο τέρματα με την χρήση κοντής γραμμής ηλεκτροδίου. Επειδή και οι δύο πόλοι λειτουργού με ίσα ρεύματα υπό κανονικές συνθήκες, το ρεύμα γης είναι μηδενικό. Η μονοπολική διασύνδεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης στα πρώτα στάδια ανάπτυξης της διπολικής διασύνδεσης. Εναλλακτικά, σε περίπτωση σφάλματος του μετατροπέα, μια 22

23 γραμμή μπορεί να χρησιμοποιηθεί προσωρινά σαν μεταλλική επιστροφή με την χρήση κατάλληλου ελέγχου. Ομοπολική διασύνδεση: Δύο αγωγοί που έχουν την ίδια πολιτικότητα (συνήθως αρνητική) μπορούν να λειτουργήσουν με μεταλλική επιστροφή ή με επιστροφή μέσω γης. Επειδή είναι ανεπιθύμητη η λειτουργία μιας dc διασύνδεσης με επιστροφή μέσω γης χρησιμοποιείται κυρίως η διπολική διασύνδεση. Η ομοπολική διασύνδεση έχει το πλεονέκτημα του μικρότερου κόστους μόνωσης, αλλά τα μειονεκτήματα της επιστροφής μέσω γης είναι σημαντικότερα από το προηγούμενο πλεονέκτημα. Βack-to-back διασύνδεση: Στην περίπτωση δύο γειτονικών HVAC συστημάτων η DC διασύνδεση γίνεται μέσω των σταθμών μετατροπής οι οποίοι βρίσκονται στον ίδιο υποσταθμό. Τα HVAC συστήματα μπορεί να είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους με διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά λειτουργίας όπως συχνότητα, τάση, ισχύ βραχυκύκλωσης. Tα κυριότερα πλεονεκτήματά του είναι η δυνατότητα διασύνδεσης δύο ασύγχρονων HVAC συστημάτων καθώς και η ταχύτατη και πλήρως ελεγχόμενη ροή φορτίου. Σχήμα 6: (a) μονοπολική διασύνδεση (b) διπολική διασύνδεση (c) ομοπολική διασύνδεση Σχήμα 7: back-to-back διασύνδεση 23

24 1.3 Πολυτερματικά DC συστήματα (Multiterminal DC Systems) Με βάση ένα HVDC σύστημα με δύο τερματικά (point-to-point system) είναι δυνατή η επέκταση του σε ένα πολυτερματικό DC σύστημα (MTDC). Ένα MTDC σύστημα έχει περισσότερους από 2 υποσταθμούς,οι οποίοι μπορούν να λειτουργούν είτε ως ανορθωτές είτε ως αντιστροφείς. Τα MTDC συστήματα έχουν 3 βασικές εφαρμογές [12][13]: Στην μεταφορά μεγάλης ισχύος (bulk power transmission) από πολλές απομακρυσμένες μονάδες παραγωγής σε πολλά απομακρυσμένα φορτία. Kάθε μονάδα παραγωγής συνδέεται απευθείας με τον υποσταθμό του ανορθωτή και έτσι το σύστημα απλουστεύεται. Όμοια κάθε υποσταθμός δεν χρειάζεται επιπλέον dc ή ac γραμμές για ευέλικτη ανταλλαγή ενέργειας (flexible energy exchange). Για παράδειγμα ένα MTDC σύστημα χρειάζεται 2 ανορθωτές και 2 αντιστροφείς για την διασύνδεση 2 μονάδων παραγωγής και 2 φορτιών, ενώ διαφορετικά θα χρειαστούν 3 point-to-point συστήματα όπως φαίνεται στο σχήμα 8. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα επιπλέον κόστος στους υποσταθμούς μετατροπέων, στις γραμμές και επιπλέον απώλειες λόγω των αυξημένων μετατροπών. Σχήμα 8: MTDC σύστημα και point-to-point συστήματα για την διασύνδεση 2 μονάδων παραγωγής με 2 φορτία. Στην ασύγχρονη διασύνδεση γειτονικών συστημάτων ισχύος. Όταν υπάρχουν περισσότερα από 2 συστήματα η MTDC διασύνδεση είναι πιο ευέλικτη και οικονομική από την point-to-point. Στην ενίσχυση ενός ac δικτύου που είναι υπερφορτωμένο. Για παράδειγμα ένα ac δίκτυο τροφοδοτείται από ένα απομακρυσμένο σταθμό παραγωγής. Θα είναι χρήσιμη η ρύθμιση της έγχυσης ισχύος (power injection) σε περισσότερα από 1 σημεία ώστε το ac δίκτυο να μην υπερφορτώνεται. Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα χρησιμοποιώντας ένα MTDC σύστημα με ένα ανορθωτή και αρκετούς αντιστροφείς. 24

25 Σχήμα 9: MTDC διάταξη για την ενίσχυση υπερφορτωμένου δικτύου Υπάρχουν δύο τύποι MTDC συστημάτων, τα εν σειρά (series) και τα παράλληλα (parallel). Τα παράλληλα συστήματα χωρίζονται στα ακτινικά (radial) και στα συστήμα βρόγχου(mesh). Ένα εν σειρά MTDC σύστημα τριών τερματικών φαίνεται στο σχήμα 1. Πρόκεται για μονοπολική διάταξη αλλά επίσης μια ομοπολική διάταξη είναι εφικτή. Σχήμα 1: Εν σειρά MTDC σύστημα τριών τερματικών Στην σειριακή σύνδεση το ρεύμα ρυθμίζεται από έναν υποσταθμό μετατροπής και είναι κοινό για όλους. Οι υπόλοιποι σταθμοί μετατροπής λειτουργούν σε σταθερή γωνία (καθυστέρησης ή εξάλειψης) ή σε σταθερή τάση. Για τον περιορισμό της απαίτησης άεργου ισχύος και των απωλειών ισχύος, οι γωνίες έναυσης των μετατροπέων ρυθμίζονται μέσω των μεταγωγέων τάσης των μετασχηματιστών (tap changer control). Σε κάθε χρονική στιγμή η τάση κατά μήκος των ανορθωτών πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση κατά μήκος των αντιστροφέων. Σε περίπτωση πτώσης τάσης στον υποσταθμό ανορθωτή που ελέγχει το ρεύμα, ο αντιστροφέας με το μεγαλύτερο ρεύμα αναφοράς αναλαμβάνει τον έλεγχο του ρεύματος. Ο έλεγχος των διακοπτικών στοιχείων των μετατροπέων, η εκκαθάριση των σφαλμάτων (fault clearing) και η αντιστροφή της ροής ισχύος σε ένα σειριακό MTDC σύστημα γίνεται με όμοιο τρόπο όπως σε ένα point-to-point. Όμως σε ένα point-to-point σύστημα ο έλεγχος της ισχύος γίνεται ρυθμίζοντας το ρεύμα και διατηρώντας την τάση σταθερή, ενώ σε ένα MTDC σειριακό σύστημα χρειάζεται ένας κεντρικός έλεγχος για την ρύθμιση του ρεύματος ανάλογα με τις μεταβολές του φορτίου. 25

26 Στην περίπτωση των παράλληλων MTDC συστημάτων τα ρεύματα σε όλους τους υποσταθμούς μετατροπέων εκτός από ένα προσαρμόζονται σύμφωνα με την ζήτηση ισχύος. Ένα τερματικό λειτουργεί ως ρυθμιστής τάσης με σταθερή γωνία ή τάση. Ένα παράδειγμα ακτινικού συστήματος τριών τερματικών σε μονοπολική διάταξη φαίνεται στο σχήμα, όμως και η διπολική διάταξη μπορεί να εφαρμοστεί επίσης. Σχήμα 11: Ακτινικό MTDC σύστημα τριών τερματικών Στο ακτινικό σύστημα η αποσύνδεση ενός τμήματος του συστήματος έχει ως αποτέλεσμα την διακοπή ισχύος σε ένα ή περισσότερους υποσταθμούς. Στο σύστημα βρόγχου η αποσύνδεση ενός τμήματος δεν θα έχει αυτό το αποτέλεσμα, με την προυπόθεση ότι τα υπόλοιπα τμήματα του συστήματος μπορούν να μεταφέρουν την ζητούμενη ισχύ (με αυξημένες απώλειες). Κατά συνέπεια το σύστημα βρόγχου είναι πιο αξιόπιστο από το ακτινικό. Ένα παράδειγμα συστήματος βρόγχου φαίνεται στο σχήμα 12. Σχήμα 12: MTDC σύστημα βρόγχου Η αντιστροφή της ροής ισχύος σε ένα παράλληλο MTDC σύστημα περιλαμβάνει μηχανικό χειρισμό καθώς η τάση δεν μπορεί να αντιστραφεί. Επίσης η απώλεια μιας γέφυρας μετατροπέα σε ένα υποσταθμό θα απαιτούσε την αποσύνδεση μια γέφυρας σε όλους τους υποσταθμούς ή την αποσύνδεση του συγκεκριμένου υποσταθμού. Συνοπτικά τα σειριακά MTDC συστήματα έχουν το πλεονέκτημα της γρήγορης αντιστροφής της ροής ισχύος χωρίς μηχανικό χειρισμό και εύκολου ελέγχου και προστασίας καθώς είναι όμοια με αυτών ενός point-to-point συστήματος, ενώ παρουσιάζουν αυξημένες απώλειες γραμμής και διακοπτών,προβλήματα μόνωσης καθώς μεταβάλλεται η τάση, αδυνατούν να αποτρέψουν ολική διακοπή του συστήματος σε περίπτωση σφάλματος. Από την άλλη πλευρά τα παράλληλα MTDC συστήματα είναι πιο εύχρηστα και αναμένεται να χρησιμοποιηθούν ευρέως στα AC συστήματα. 26

27 Εξαιτίας της πολυχρηστικότητας και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους τα MTDC συστήματα έχουν προταθεί για συγκεκριμένες εφαρμογές που χρησιμοποιούν μετατροπείς πηγής τάσης καθώς τα περισσότερα ac δίκτυα που συνδέονται στους υποσταθμούς μετατροπέων είναι παθητικά (passive ac networks): Η διασύνδεση δύο γειτονικών ανεξάρτητων αιολικών πάρκων με ένα ac δίκτυο μέσω MTDC συστήματος. Η παροχή ισχύος σε υπεράκτιες πλατφόρμες πετρελαίου και φυσικού αερίου μέσω MTDC συστήματος. Η αντικατάσταση του υπάρχοντος ac συστήματος διανομής ισχύος στις αστικές περιοχές με ένα MTDC σύστημα διανομής. 2. Βασικός εξοπλισμός και έννοιες HVDC συστήματος 2.1 Μετατροπείς HVDC συστήματος Ένα HVDC σύστημα χρειάζεται ηλεκτρονικούς μετατροπείς για την μετατροπή της AC-DC και αντίστροφα. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι μετατροπέων για αυτή την διαδικασία: Μετατροπέας πηγής ρεύματος (CSC: Current Source Converter) Μετατροπέας πηγής τάσης (VSC: Voltage Source Converter) Σχήμα 13: Μετατροπείς τύπου CSC και VSC Κατά την περίοδο τα συστήματα HVDC χρησιμοποιούσαν σχεδόν αποκλειστικά την διάταξη CSC. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 197 χρησιμοποιούνταν μετατροπείς τόξου-υδραργύρου (mercury-arc valves) και έπειτα οι βαλβίδες θυρίστορ ως βασικό διακοπτικό στοιχείο. Από το 199 έχει γίνει οικονομικά βιώσιμη η διάταξη VSC λόγω της διαθεσιμότητας νέων αυτομεταγώγιμων διακοπτικών στοιχείων υψηλής ισχύος όπως τα GTOs και τα IGPTs, όπως και λόγω της εξέλιξης των επεξεργαστών ψηφιακών σημάτων (Digital Signal Processors) για την παραγωγή σημάτων διέγερσης. Τα μοντέρνα HVDC μπορούν να λειτουργήσουν είτε με CSC είτε με VSC. Η επιλογή της κατάλληλης διάταξης µετατροπέα βασίζεται σε οικονοµικούς και άλλους παράγοντες. Παρακάτω παρατίθενται και συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά των δύο τύπων µετατροπέα. 27

28 Στην AC πλευρά CSC Συµπεριφέρεται σαν σταθερή πηγή τάσης Χρειάζεται ένα πυκνωτή σαν συσκευή αποθήκευση ενέργειας Χρειάζεται µεγάλα ac φίλτρα για την εξάλειψη των αρµονικών Χρειάζεται παροχή άεργου ισχύος για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος Τύπος Μετατροπέα VSC Συµπεριφέρεται σαν σταθερή πηγή ρεύµατος Χρειάζεται µία επαγωγή σαν συσκευή αποθήκευση ενέργειας Χρειάζεται µόνο ένα µικρό ac φίλτρο για την εξάλειψη των υψηλών αρµονικών εν χρειάζεται παροχή άεργου ισχύος καθώς ο µετατροπέας µπορεί να λειτουργήσει και στα τέσσερα τεταρτηµόρια Στην DC πλευρά ιακόπτες Συµπεριφέρεται σαν σταθερή πηγή ρεύµατος Χρειάζεται µια επαγωγή σαν συσκευή αποθήκευσης ενέργειας Χρειάζεται dc φίλτρα ιαθέτει εγγενή χαρακτηριστικά περιορισµού του ρεύµατος σε περίπτωση σφάλµατος Φυσικής µεταγωγής Ο διακοπτικός έλεγχος συµβαίνει στην συχνότητα γραµµής (ένας παλµός ανά κύκλο) Μικρότερες απώλειες διακοπτών Συµπεριφέρεται σαν σταθερή πηγή τάσης Χρειάζεται ένα πυκνωτή σαν συσκευή αποθήκευσης ενέργειας Ο πυκνωτής αποθήκευσης ενέργειας παρέχει δυνατότητα dc φιλτραρίσµατος χωρίς επιπλεόν κόστος Προβληµατικός στα σφάλµατα στην dc πλευρά καθώς η εκφόρτιση του πυκνωτή θα συνεισφέρει στο σφάλµα Εξαναγκασµένης µεταγωγής Ο διακοπτικός έλεγχος συµβαίνει στις υψηλές συχνότητς (πολλοί παλµοί ανά κύκλο) Υψηλότερες απώλειες διακοπτών Πίνακας 2.1: Χαρακτηριστικά CSC και VSC Οι βασικές διαφορές μεταξύ του συμβατικού μετατροπέα φυσικής μεταγωγής (CSC ή Line- Commutated Converter) και του μετατροπέα εξαναγκασμένης μεταγωγής (VSC ή Self- Commutated Converter) προκύπτουν από το γεγονός ότι ο δεύτερος δεν χρειάζεται ac τάση για τις μεταγωγές και ότι αυτές είναι ακαριαίες, ενώ η διάρκεια των μεγαγωγών στον CSC 28

29 εξαρτάται από το επίπεδο της πηγής τάσης και την επαγωγή διαρροής του μετασχηματιστή (converter transformer leakage reactance). Έτσι ακόμα και αν η γωνία καθυστέρησης (firing angle) α= ο ο CSC καταναλώνει άεργο ισχύ, η οποία μπορεί να είναι εώς το 6% της ενεργού ισχύος του μετατροπέα. Επίσης η απαίτηση άεργου ισχύος του CSC μεταβάλλεται με την μεταφερόμενη ενεργό ισχύ και έτσι τα φίλτρα του μετατροπέα και οι αντισταθμιστές άεργου ισχύος πρέπει να προσαρμόζονται στις μεταβολές του φορτίου. Από την άλλη πλευρά ο VSC μπορεί να παρέχει άεργο ισχύ ανεξάρτητα από την μεταφερόμενη ενεργό ισχύ. Σε ένα CSC καθώς η μεταφόμενη ενεργός ισχύς μεταβάλλεται, οι αντίστοιχες μεταβολές στην άεργο ισχύ προκαλούν διακυμάνσεις της τάσης του AC συστήματος. Η πτώση της AC τάσης προκαλεί επιπλέον κατανάλωση άεργου ισχύος και περαιτέρω μείωση της τάσης το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η αστάθεια απαιτείται να οριστεί ο ελάχιστος λόγος βραχυκύκλωσης (short circuit ratio) η τιμή του οποίου συνήθως είναι 2. Ο VSC δεν έχει απαίτηση ελάχιστου λόγου βραχυκύκλωσης, αλλά η μεταφερόμενη άεργος ισχύς περιορίζεται από την αντίδραση του AC συστήματος όπως φαίνεται από το ac τερματικό του μετατροπέα. Επειδή κάθε τμήμα της γέφυρας του μετατροπέα κλείνει μόνο μια φορά ανά κύκλο, ο CSC χρειάζεται φίλτρα για τις αρμονικές τάσης τάξης 12κ. Με την χρήση της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) στον VSC η απαίτηση σε φίλτρα μειώνεται σημαντικά ή εξαφανίζεται. Ένα βραχυκύκλωμα στην ac πλευρά του αντιστροφέα θα προκαλέσει αποτυχίες μεταγωγής στην περίπτωση του LCC, με προσωρινές διακοπές στην μεταφορά ενεργού ισχύος. Ο VSC δεν διατρέχει αυτόν τον κίνδυνο και μπορεί να συνεχίσει να μεταφέρει ενεργό ισχύ υπό αυτές τις συνθήκες, και η ποσότητα της μεταφερόμενης ισχύος περιορίζεται μόνο από την μείωση της ac τάσης κατά την διάρκεια του σφάλματος. Ένα πλεονέκτημα του CSC είναι η απόκριση του στα σφάλματα dc εξαιτίας αφενός των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης (smoothing reactors), οι οποίες μειώνουν το μέγιστο του ρεύματος, και αφετέρου και ο γρήγορος έλεγχος του μετατροπέα που μειώνει το dc ρεύμα στο. Η επανεκκίνηση του συστήματος είναι δυνατή μεταξύ 1 και 3 ms. Στην περίπτωση του VSC οι δίοδοι ελεύθερης ροής (free wheeling diodes) των διακοπτικών στοιχείων θα επιτρέψουν το ρεύμα σφάλματος απεριόριστα ακόμα και αν τα διακοπτικά στοιχεία GTO ή IGBT μπλοκαριστούν. Οπότε το σφάλμα μπορεί να σταματήσει μόνο με την χρήση αυτόματου διακόπτη ισχύος (circuit breaker), το οποίο σημαίνει μεγάλη καθυστέρηση στην επανεκκίνηση του συστήματος [5][35]. 2.2 Δωδεκαπαλμικός μετατροπέας (CSC) Επειδή στην μεταφορά HVDC υπάρχουν υψηλά επίπεδα ισχύος,είναι σημαντική η ελάττωση των αρμονικών του ρεύματος που παράγονται στην ac πλευρά και η κυμάτωση της τάσης που παράγεται στη dc πλευρά του μετατροπέα. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της μετατροπής 12 παλμών, που απαιτεί δύο μετατροπείς 6 παλμών συνδεδεμένους μέσω ενός 29

30 μετασχηματιστή Υ-Υ ή Δ-Υ όπως φαίνεται στο σχήμα. Οι δύο μετατροπείς 6 παλμών συνδέονται σε σειρά στη dc πλευρά και παράλληλα στην ac πλευρά [19]. Σχήμα 14: Συνδεσμολογία ανορθωτικής διάταξης 2 δωδεκαπαλμικών μετατροπέων σε HVDC σύστημα διπολικής διασύνδεσης. Το ρεύμα στην ac πλευρά έχει αρμονικές τάξης 12κ±1 (κ ακέραιος) που προέρχονται από λειτουργία 12 παλμών. Τα πλάτη των αρμονικών ρευμάτων για ένα μετατροπέα 12 παλμών είναι αντιστρόφως ανάλογα της τάξης τους και οι αρμονικές χαμηλότερης τάξης είναι η ενδέκατη και η δέκατη τρίτη. Ρεύμα στην ac πλευρά: = Ι (cosθ cos11θ + cos13 θ+...) (Σχέση 2.1) Nπ i a d όπου Ν ο λόγος μετασχηματισμού, Ι d το dc ρεύμα και θ=ωt. Η τάση στην dc πλευρά έχει 12 παλμούς ανά κύκλο της θεμελιώδους συχνότητας, το οποίο οδηγεί σε αρμονικές τάξης 12κ (κ ακέραιος) με κατώτερης τάξης αρμονική την δωδέκατη. Τα πλάτη των αρμονικών εξαρτώνται σημαντικά από την επαγωγή διαρροής των μετασχηματιστών, την γωνία καθυστέρησης α και το dc ρεύμα. Τάση στην dc πλευρά: 6 2 6ωLs Vd = VLL cos a Id (Σχέση 2.2) π π Όπου V LL η ενεργός τιμή της τάσης γραμμής, L s η ανά φάση επαγωγή διαρροής του κάθε μετασχηματιστή, ω η συχνότητα του ac δικτύου. 3

31 2.3 Μετασχηματιστές μετατροπέων (converter transformers) Ο μετασχηματιστής μετατροπέα σε ένα HVDC σύστημα επιτελεί τις εξής βασικές λειτουργίες [6][16]: Παρέχει ac τάσεις σε 2 ξεχωριστά κυκλώματα τροφοδοτώντας την γέφυρα του μετατροπέα με σχετική διαφορά φάσης 3 ο, με σκοπό την μείωση των αρμονικών χαμηλής τάξης,κυρίως 5 ης και 7 ης. Λειτουργεί ως γαλβανική απομόνωση μεταξύ του ac και του dc συστήματος ώστε να αποτρέψει την εισαγωγή της dc συνιστώσας στο ac σύστημα. Η επαγωγική αντίδραση του μετασχηματική στην ac πλευρά του μετατροπέα μειώνει τα ρεύματα βραχυκύκλωσης και ελέγχει την αύξηση του ρεύματος στον μετατροπέα κατά την μεταγωγή. Μετασχηματίζει την τάση μεταξύ του ac συστήματος παροχής και του HVDC συστήματος. Το μεγάλο φάσμα λειτουργίας του μεγαγωγέα λήψεων (tap changer) του μετασχηματιστή κάνει εφικτή την προσαρμογή στην τάση του ac δικτύου. Ένας μετασχηματιστής μπορεί να έχει διάφορες συνδεσμολογίες ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων και τον αριθμό των τυλιγμάτων όπως φαίνεται παρακάτω στο σχήμα 15. Σχήμα 15: Συνδεσμολογίες μετασχηματιστών με βάση των αριθμό των τυλιγμάτων Η επιλογή του μετασχηματιστή γίνεται κυρίως βάσει των περιορισμών μεταφοράς(διαστάσεις και βάρος), τον αριθμό των απαραίτητων εφεδρικών μετασχηματιστών και την διάταξη του μετατροπέα [6]. Ένας μετασχηματικής μετατροπέα διαφέρει επίσης από ένα τυπικό μετασχηματιστή ισχύος στα εξής [6][15]: Η συνήθης διάταξη του μετασχηματιστή μετατροπέα (CSC) που επιτυγχάνει διαφορά φάσης 3 ο είναι αυτή του σχήματος

32 Σχήμα 16: Συνδεσμολογία τυλιγμάτων μετασχηματιστή δωδεκαπαλμικού μετατροπέα Τα τυλίγματα του δευτερεύοντος υπόκεινται σε dc ανάστροφες τασεις. Ο πυρήνας εκτίθεται σε μικρές ποσότητες dc ρεύματος (residual current). Η διαφορά ανάμεσα στις αντιδράσεις μεταξύ των φάσεων πρέπει να είναι μικρότερη του 5%. Οι απώλειες του μετασχηματιστή χωρίζονται στις απώλειες υπό φορτίο και στις απώλειες σε αφόρτιστη λειτουργία. Οι απώλειες στην αφόρτιστη λειτουργία εξαρτώνται από την τάση του ac δικτύου. Οι κύριες απώλειες υπό φορτίο είναι οι απώλειες I 2 R και οι απώλειες σκέδασης (stray losses). Οι δεύτερες οφείλονται στα δινορρεύματα (circulating currents) τα οποία εξαρτώνται από το ρυθμό μεταβολής του ρεύματος στα τυλίγματα και επάγουν ανεπιθύμητα μαγνητικά πεδία στους αγωγούς και σε άλλα μεταλλικά μέρη που είναι εκτεθειμένα στην ροή σκέδασης (leakage flux). Οι απώλειες σκέδασης στους ΜΣ μετατροπέων είναι μεγαλύτερες από αυτές των συμβατικών ΜΣ και αυξάνονται σημαντικά όταν το ποσοστό των αρμονικών ρευμάτων είναι μεγάλο [16]. 2.4 Μετατροπέας πηγής τάσης (VSC) Ένας VSC δύο επιπέδων (two-level VSC) αποτελείται από μια εξαπαλμική γέφυρα με διακόπτες εξαναγκασμένης μεταγωγής (GTOs ή IGBTs) και αντιπαράλληλες διόδους (σχήμα). Για να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο ισχύος τα διακοπτικά στοιχεία συνδέονται εν σειρά σχηματίζοντας μια βαλβίδα (valve). Οι βαλβίδες GTO επιτρέπουν υψηλότερα ρεύματα αλλά χαμηλότερη dc τάση σε σχέση με τις βαλβίδες IGBT, για αυτό οι δεύτερες επιλέγονται σε εφαρμογές μεταφοράς ισχύος μεγάλης απόστασης όπου είναι επιθυμητή η υψηλή τάση μεταφοράς για την μείωση των απωλειών. 32

33 Σχήμα 17: VSC δύο επιπέδων Οι διακόπτες εξαναγκασμένης μεταγωγής μεταφέρουν την ισχύ από την dc στην ac πλευρά (αντιστροφή), ενώ οι αντιπαράλληλες δίοδοι είναι υπεύθυνες για την μεταφορά από την ac στην dc πλευρά (ανόρθωση) και για την φόρτιση του πυκνωτή. Το μέσο ρεύμα καθορίζει την ροή ισχύος στον μετατροπέα και κατά συνέπεια τις λειτουργίες της ανόρθωσης και της αντιστροφής. Αν ο μετατροπέας λειτουργεί ως ανορθωτής με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (unity power factor) τότε άγουν μόνο οι δίοδοι, ενώ αν λειτουργεί ως αντιστροφέας άγουν μόνο οι διακόπτες. Κατά την λειτουργία της αντιστροφής η dc τάση του πυκνωτή μετατρέπεται σε ac ρεύμα. Η πολικότητα της dc τάσης καθορίζεται από την πολικότητα των διόδων του μετατροπέα. Η κυματομορφή των ρευμάτων στην έξοδο παράγεται με κατάλληλο έλεγχο στις πύλες των διακοπτών. Όμως αν κάποιος διακόπτης είναι κλειστός, ο συμπληρωματικός διακόπτης πρέπει να είναι ανοιχτός ώστε να μην γίνει βραχυκύκλωμα του πυκνωτή αποθήκευσης. Στο σχήμα 18 φαίνονται οι κυματομορφές των φασικών και πολικών τάσεων στην ac πλευρά του VSC δύο επιπέδων, όπου N το μέσο σημείο του πυκνωτή και n ο ουδέτερος του μετασχηματιστή. 33

34 Σχήμα 18: Φασικές και πολικές τάσεις VSC δύο επιπέδων Για την επίτευξη βελτιωμένης κυματομορφής (μικρότερη ολική παραμόρφωση THD) στην έξοδο χρησιμοποιούνται VSC πολλών επιπέδων (multi-level VSC). Ένα παράδειγμα VSC τριών επιπέδων φαίνεται στο σχήμα 19. Σχήμα 19: VSC τριών επιπέδων 34

35 Ο VSC 3 επιπέδων αποτελείται από 4 βαλβίδες σε κάθε σκέλος του μετατροπέα. Δύο μόνο βαλβίδες που συνδέονται απευθείας επιτρέπεται να είναι κλειστές κάθε χρονική στιγμή. Για παράδειγμα όταν είναι κλειστές οι βαλβίδες S1-S2 συνδέεται το ac τερματικό με τον θετικό πόλο P, όταν είναι κλειστές οι βαλβίδες S2-S3 συνδέεται με το μέσο σημείο (MP) του πυκνωτή μέσω των διόδων (clamping diodes) και όταν είναι κλειστές οι βαλβίδες S3-S4 συνδέεται με το αρνητικό τερματικό Ν του dc συστήματος. Έτσι η ac τάση εξόδου αποτελείται από 3 επίπεδα αντί για 2 και για αυτό ο μετατροπέας ονομάζεται 3 επιπέδων [35][5]. Σχήμα 2: Επίπεδα τάσης VSC δύο και τριών επιπέδων 2.5 Διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse width modulation) Ο αντικειμενικός σκοπός της PWM στους τριφασικούς VSC στην λειτουργία της αντιστροφής είναι η μορφοποίηση και ο έλεγχος των τριφασικών τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα, με μια ουσιαστικά σταθερή τάση εισόδου V d. Για την επίτευξη συμμετρικών τριφασικών τάσεων συγκρίνεται η ίδια τριγωνική κυματομορφή (utrig) τάσης με τρεις ημιτονοειδείς τάσεις ελέγχου, οι οποίες διαφέρουν κατά 12 o όπως φαίνεται στο σχήμα 21. Οι αρμονικές εξόδου οποιουδήποτε σκέλους είναι μόνο περιττές αρμονικές που εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες,με κέντρο τον συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation ratio) και τα πολλαπλάσια του, με την προϋπόθεση ότι ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας είναι περιττός. Αν συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας είναι περιττό πολλαπλάσιο του 3 τότε εξαλείφονται οι άρτιες αρμονικές. Όσο αφορά την πολική τάση εξαλείφονται οι περιττές αρμονικές που είναι πολλαπλάσια του 3. 35

36 Σχήμα 21: Διαμόρφωση εύρους παλμών τριφασικού VSC Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους(amplitude modulation ratio) διαμόρφωνει το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου. Η φασική τάση εξόδου για m a 1 είναι Vd V = ma (Σχέση 2.3), ενώ η πολική τάση εξόδου VLL =.612 mavd (Σχέση 2.4) Θυρίστορ (thyristor) Tα θυρίστορ (SCR αλλιώς που σημαίνει ελεγχόμενοι ανορθωτές πυριτίου) είναι μια από τις παλαιότερες κατηγορίες ημιαγωγικών στοιχείων. Έχουν μια δομή από τέσσερα στρώματα και αποτελούν ένα διακόπτη που μπορεί να ενεργοποιηθεί από τον ακροδέκτη ελέγχου (πύλη) αλλά δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί από την πύλη. 36

37 Σχήμα 22: Θυρίστορ Η μοναδικότητα του θυρίστορ έγκειται κυρίως στην χαρακτηριστική του καμπύλη (σχήμα 23), η οποία είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος ανόδου i A συναρτήσει της τάσης ανόδου-καθόδου υ ΑΚ. Στην ανάστροφη φορά το θυρίστορ εμφανίζεται ίδιο με την ανάστροφα πολωμένη δίοδο, η οποία άγει πολύ μικρό ρεύμα μέχρι να πραγματοποιηθεί η διάσπαση χιονοστοιβάδας. Η μέγιστη ανάστροφη τάση V RWM μπορεί να φτάσει μέχρι και 7kV. Η περιοχή μικρού ρεύματος-μεγάλης τάσης είναι η κατάσταση ορθής αποκοπής (forward blocking state) και η κατάσταση μικρής τάσης-μεγάλου ρεύματος είναι η κατάσταση αγωγιμότητας (forward-on state). Το ρεύμα I H παριστάνει το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να περάσει μέσα από το θυρίστορ και που μπορεί να διατηρεί το στοιχείο σε κατάσταση αγωγιμότητας. Αυτή η τιμή του ρεύματος και η αντίστοιχη τάση στα άκρα του στοιχείου, που ονομάζεται τάση συγκράτησης V H, παριστάνουν την μικρότερη δυνατή επέκταση του τμήματος αγωγιμότητας της χαρακτηριστικής i-v. Σχήμα 23: Χαρακτηριστική i-v θυρίστορ Η τάση ορθής αποκοπής V BO και το αντίστοιχο ρεύμα I BO ορίζονται για μηδενικό ρεύμα πυλής, δηλαδή όταν η πύλη είναι ανοικτό κύκλωμα. Αν στο θυρίστορ εφαρμοστεί θετικό ρεύμα πύλης τότε η μετάβαση του στην κατάσταση αγωγιμότητας θα συμβεί σε μικρότερες τιμές της τάσης ανόδου-καθόδου όπως φαίνεται στο σχήμα. Το ρεύμα πύλης μπορεί να μην είναι dc ρεύμα αλλά και παλμός ρεύματος με κάποια ελάχιστη χρονική διάρκεια. Ωστόσο 37

38 όταν το θυρίστορ βρίσκεται στην κατάσταση αγωγιμότητας, η πύλη δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να το οδηγήσει στην αποκοπή. Ο μόνος τρόπος αποκοπής του θυρίστορ είναι ο εξαναγκασμός από το εξωτερικό κύκλωμα του ρεύματος του στοιχείου να γίνει μικρότερο από το ρεύμα συγκράτησης για ένα ελάχιστο καθορισμένο χρονικό διάστημα [6][19]. 2.7 Θυρίστορ ελεγχόμενο από την πύλη (Gate turnoff thyristor) Η αδυναμία ελεγχόμενης αποκοπής του θυρίστορ είναι ένα σοβαρό μειονέκτημα που δεν του επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί σε διακοπτικές εφαρμογές. Τα διακοπτικά στοιχεία με ικανότητα αποκοπής από την πυλή λέγονται thyristor GTO ή απλά GTO (Gate Turn-Off). Υπάρχουν τρεις βασικές διαφορές μεταξύ ενός GTO και ενός συμβατικού θυρίστορ: Οι δομές πύλης και καθόδου είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και χρησιμοποιούνται διάφορα είδη γεωμετρικών μορφών για την διάταξη των πυλών και των καθόδων. Βασικός σκοπός είναι η μεγιστοποίηση της περιφέρειας της καθόδου και η ελαχιστοποίηση της απόστασης από την πύλη προς το κέντρο της περιοχής της καθόδου. Οι περιοχές των καθόδων συνήθως σχηματίζονται με χάραξη και απομάκρυνση του πυριτίου που τις περιβάλλει έτσι ώστε να εμφανίζονται σαν νησιά ή τράπεζες (mesa). Σε κανονικά διαστήματα περιοχές N + τρυπούν την ανόδου τύπου P (στρώμα p 1 ) και έρχονται σε επαφή με την περιοχή N - που σχηματίζει το στρώμα βάσης n 1. Οι περιοχές N + υπερκαλύπτονται με την ίδια επιμετάλλωση που είναι σε επαφή με την άνοδο τύπου P, με αποτέλεσμα μια βραχυκύκλωση της ανόδου. Η δομή της βραχυκύκλωση της ανόδου χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση της αποκοπής του GTO. Σχήμα 24: Kατακόρυφη τομή και κυκλωματικό σύμβολο GTO 38

39 Η χαρακτηριστική i-v του GTO κατά την ορθή φορά είναι ακριβώς ίδια με την χαρακτηριστική του συμβατικού θυρίστορ. Ωστόσο κατά την ανάστροφη φορά το GTO δεν έχει ικανότητα αποκοπής εξαιτίας της δομής βραχυκύκλωσης της ανόδου. Η μόνη επαφή που αποκόπτει κατά την ανάστροφη φορά είναι η επαφή J 3 και η οποία έχει μικρή τάση διάσπασης εξαιτίας των μεγάλων συγκεντρώσεων των προσμίξεων και στις δύο πλευρές της. Επίσης στα GTO πρέπει να χρησιμοποιούνται κυκλώματα εξωτερικής προστασίας (snubber) [19]. 2.8 Διπολικό τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (Insulated Gate Bipolar Transistor) Τα BJT και τα MOSFET σε μερικά σημεία έχουν ιδιότητες που αλληλοσυμπληρώνονται. Τα πρώτα έχουν μικρότερες απώλειες αγωγιμότητας και μεγαλύτερους χρόνους μετάβασης, ενώ τα MOSFET έχουν πολύ ταχύτερες μεταβάσεις αλλά μεγαλύτερες απώλειες αγωγιμότητας. Ένας συνδυασμός των 2 προηγούμενων στοιχείων είναι το διπολικό τρανζίστορ με μονωμένη πύλη (IGBT) με σκοπό την εκμετάλλευση των καλύτερων χαρακτηριστικών τους. Η δομή του IGBT φαίνεται στο σχήμα 25. Σχήμα 25: Δομή IGBT Το παρασιτικό τρανζίστορ του IGBT που φαίνεται στο σχήμα δεν είναι επιθυμητό να περιέλθει σε κατάσταση αγωγιμότητας. Για αυτό αρκετές κατασκευαστικές λεπτομέρειες του πραγματικού IGBT, κυρίως στην περιοχή σώματος τύπου P που σχηματίζει τις επαφές J 2 και J 3, είναι διαφορετικές από αυτές του σχήματος. Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές i-v και το κυκλωματικό σύμβολο ενός IGBT με κανάλι n. Οι χαρακτηριστικές ενός IGBT με κανάλι p θα είναι ίδιες εκτός από το ότι οι πολιτικότητες των τάσεων και των ρευμάτων θα είναι ανεστραμμένες. 39

40 Σχήμα 26: Χαρακτηριστικές i-v και κυκλωματικό σύμβολο IGBT Όπως και το GTO, χρησιμοποιείται κατά κόρον στους VSC με μέγιστη τάση λειτουργίας 4.5 kv. 2.9 Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης (smoothing reactors) Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης είναι σημαντικά στοιχεία ενός HVDC συστήματος με βασικό σκοπό να μειώσει την κυμάτωση του dc ρεύματος που προέρχεται από τον ανορθωτή. Συνδέονται εν σειρά με τον ανορθωτή και επιτελούν τις εξής λειτουργίες: Το ασυνεχές ρεύμα (intermittent current) εξαιτίας της κυμάτωσης του μπορεί να προκαλέσει υπερτάσεις στον μετασχηματιστή και σε άλλα τμήματα του συστήματος. Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης προλαμβάνουν αυτό το φαινόμενο. Περιορίζουν το ρεύμα σε περίπτωση dc σφάλματος και την συχνότητα εμφάνισης αποτυχιών μεταγωγής (commutation failures) και dc σφαλμάτων. Προλαμβάνουν τον συντονισμό στο dc κύκλωμα στις χαμηλής τάξης αρμονικές συχνότητες όπως 1 ή 15 Hz. Αυτό είναι σημαντικό για να αποφευχθεί η πολλαπλασιαστική επίδραση των αρμονικών που προέρχονται από το ac δίκτυο π.χ. αρμονικές λόγω της αντίστροφης συνιστώσας του ρεύματος (negative sequence currents) ή λόγω κορεσμού του μετασχηματιστή. Μειώνουν τα αρμονικά ρεύματα και ταυτόχρονα περιορίζουν τις τηλεπικοινωνιακές παρεμβολές. Εκτός από τις ονομαστικές τιμές ρεύματος και τάσης βάσει του κυκλώματος, η τιμή της επαγωγικής αντίδρασης είναι ο καθοριστικός παράγοντας διαστασιόλογησης. Συνήθως επιλέγονται από 1-3 mh για διασυνδέσεις μεγάλης απόστασης και από 3-8 mh για back-to-back υποσταθμούς. 4

41 Υπάρχουν δύο τύποι αυτεπαγωγών εξομάλυνσης: οι ξηρού τύπου με μόνωση αέρα (airinsulated dry type reactors) και οι αυτεπαγωγές με μόνωση ελαίου σε δεξαμενή (oilinsulated reactors). Σχήμα 27: Αυτεπαγωγή εξομάλυνσης με μόνωση ελαίου και ξηρού τύπου Ένα πλεονέκτημα των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης ξηρού τύπου όταν υπάρχει δυνατότητα χώρου είναι ότι η διατήρηση εφεδρικών μονάδων δεν είναι πολύ ακριβή. Για σεισμογενείς περιοχές προτιμώνται οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης ελαίου [17]. 2.1 Φασικές επαγωγικές αντιδράσεις (phase reactors) Οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο τόσο της ενεργού όσο και της άεργου ισχύος ρυθμίζοντας τα ρεύματα που τις διαπερνούν. Λειτουργούν επίσης ως ac φίλτρα για να μειώσουν το υψηλό αρμονικό περιεχόμενο των ac ρευμάτων το οποίο προκαλείται από την διακοπτική λειτουργία των VSCs. Το μέγεθος των φασικών επαγωγικών αντιδράσεων εξαρτάται από την συχνότητα διαμόρφωσης των διακοπτών και τον κορεσμό του μετασχηματιστή που είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για την επιλογή τους. Η τιμή τους είναι συνήθως περίπου.15pu [18][12] Ενεργά φίλτρα (Active filters) Η αρχή λειτουργίας των ενεργών φίλτρων μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αποτελείται από τον προσδιορισμό του πλάτους και της φάσης των αρμονικών του ac ρεύματος που υπάρχουν στην ac γραμμή. Στο δεύτερο στάδιο εισάγονται κατάλληλες αρμονικές ρεύματος ή τάσης σε αυτές τις αρμονικές για να παραχθούν οι αρμονικές ac ρεύματος που απαιτούνται τοπικά από το μη γραμμικό φορτίο. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες ενεργών φίλτρων. Μπορούν να συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα με το φορτίο, απευθείας ή μέσω ειδικών ζεύξεων κλπ. Πιο κοινή τοπολογία 41

42 είναι η υβριδική (σχήμα), στην οποία το ενεργό μέρος(ενισχυτής) συνδέεται στον αγωγό υψηλής τάσης μέσω του παθητικού μέρους(συμβατικό παράλληλο φίλτρο). Σχήμα 28: Τοπολογία ενεργού φίλτρου Στην dc πλευρά οι συχνότητες συντονισμού θα είναι η 12 η και η 14 η, ενώ στην ac πλευρά το παθητικό μέρος θα είναι ένα υψιπερατό φίλτρο ή φίλτρο διπλού συντονισμού στην 11 η και 13 η συχνότητα. Επίσης το παθητικό μέρος θα παρακάμπτεται από ένα LC κλάδο σχεδιασμένο ώστε να μειώνεται το μέγεθος του ενισχυτή. Το ενεργό μέρος χωρίζεται στο σύστημα μέτρησης, στο σύστημα ελέγχου, στον ενισχυτή, στον μετασχηματιστή, στις συσκευές προστασίας και στους αποζεύκτες. Το σύστημα μέτρησης είναι πολύ σημαντικό για το ενεργό φίλτρο καθώς η ανάλυση του θέτει όριο στην δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιεί διακριτό έλεγχο (discrete control) για να μετατρέπει τα μετρήσιμα μεγέθη σε κατάλληλα σήματα εισόδου και να διαχειρίζεται αλλαγές στο σύστημα όπως μετατροπή της διασύνδεση από διπολική σε μονοπολική και καταστάσεις σφαλμάτων. Ο ενισχυτής είναι ένας VSC που χρησιμοποιεί διαμόρφωση εύρους παλμών με διακοπτικά στοιχεία IGBTs ή GTOs. Ο μετασχηματιστής παρέχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ του ενισχυτή και του HVDC συστήματος και αυξάνει την τάση εξόδου του ενισχυτή στο κατάλληλο επίπεδο για το σύστημα. Το κύκλωμα προστασίας προστατεύει το κύκλωμα από εξωτερικές υπερτάσεις και υπερρεύματα. Τέλος οι αποζεύκτες αποσυνδέουν το ενεργό μέρος του φίλτρου ενώ η HVDC διασύνδεση παραμένει σε λειτουργία [19][17] Παθητικά ac και dc φίλτρα Οι HVDC μετατροπείς δημιουργούν αρμονικές στην dc πλευρά κατά την λειτουργία τους οι οποίες δημιουργούν διαταραχές στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Για αυτό χρειάζονται ειδικά σχεδιασμένα dc φίλτρα που μειώνουν αυτές τις διαταραχές. Συνήθως δεν χρειάζονται dc φίλτρα για την διασύνδεση back-to-back υποσταθμών αλλά είναι απαραίτητη η εγκατάστασή τους αν στο σύστημα υπάρχει εναέρια γραμμή. 42

43 Οι κύριοι τύποι παθητικών αρμονικών φίλτρων είναι οι εξής [1] [15] [27]: Ζωνοπερατά φίλτρα (band-pass filters): Χρησιμοποιούνται για να φιλτράρουν αρμονικές χαμηλής τάξης όπως η 5 η, 7 η, 11 η, 13 η κτλ. Μπορούν να είναι συντονισμένα σε μία συχνότητα όπως τα μονά συντονισμένα φίλτρα (single-tuned filters) ή σε δύο συχνότητες όπως τα διπλά συντονισμένα φίλτρα (double-tuned filters). Για το μονό συντονισμένο φίλτρο αν f 1 η θεμελιώδης συχνότητα, f n η συχνότητα συντονισμού, n η τάξη της αρμονικής, V η ονομαστική τάση, Χ C και X L η χωρητική και η επαγωγική αντίδραση του φίλτρου στην θεμελιώδη συχνότητα αντίστοιχα, τότε τα χαρακτηριστικά του ορίζονται από τις σχέσεις του πίνακα 2.2. Αρµονική τάξη συντονισµού Συντελεστής ποιότητας Εύρος ζώνης n f f n = = 1 nx L Q= R f n B= Q Άεργος ισχύς στην f V n QC = 2 X C ( n 1) Απώλειες στην f 1 QC n Ploss 2 Q( n 1) X X C L Πίνακας 2.2: Εξισώσεις ζωνοπερατού φίλτρου Τα διπλά συντονισμένα φίλτρα λειτουργούν όπως τα μονά αλλά έχουν τα πλεονεκτήματα ότι οι απώλειες τους είναι πολύ μικρότερες και ότι η σύνθετη αντίσταση τους στην συχνότητα του παράλληλου συντονισμού που συμβαίνει ανάμεσα στις δύο συχνότητες συντονισμού είναι χαμηλότερη. Το διπλό συντονισμένο φίλτρο αποτελείται από LC κύκλωμα σειράς και ένα παράλληλο RLC. Αν f 1 και f 2 οι συχνότητες συντονισμού τους αντίστοιχα, τότε και τα 2 κυκλώματα είναι συντονισμένα κατά προσέγγιση στην συχνότητα fm = f1 f2 και ο R συντελεστής ποιότητας ορίζεται Q=. L π f 2 m Υψηπερατά φίλτρα (high-pass filters): Χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα υψηλής τάξης αρμονικών και καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Ένα ειδικός τύπους υψηπερατού φίλτρου είναι το τύπου C (C-type high pass filter) το οποίο χρησιμοποιείται για την παροχή άεργου ισχύους και την αποτροπή παράλληλων συντονισμών.επίσης φιλτράρει χαμηλής τάξης αρμονικές όπως η 3 η ενώ έχει μηδενικές απώλειες στην θεμελιώδη συχνότητα. Το υψηπερατό φίλτρο είναι ένα μονό συντονισμένο φίλτρο όπου τα στοιχεία L και R συνδέονται παράλληλα αντί εν σειρά. Αυτή η σύνδεση έχει ως αποτέλεσμα να φιλτράρει ένα εύρος συχνοτήτων και η σύνθετη αντίσταση του στις υψηλές 43

44 συχνότητες να περιορίζεται από την αντίσταση. Ο συντελεστής ποιότητας του είναι R Q=. Στο τύπου C υψηπερατό φίλτρο η επαγωγή αντικαθίσταται από ένα L π f 2 n κύκλωμα LC σειράς συντονισμένο στην θεμελιώδη συχνότητα. Με αυτόν τον τρόπο στην θεμελιώδη συχνότητα ο κλάδος της αντίστασης παρακάμπτεται και οι απώλειες είναι μηδέν. Ο συντελεστής ποιότητας του είναι ίδιος με αυτός του απλού υψηπερατού. Σχήμα 29: Παθητικά φίλτρα Η ac τάση εξόδου περιέχει αρμονικές που προέρχονται από την διακοπτική λειτουργία των βαλβίδων και μπορεί να δημιουργήσουν δυσλειτουργίες στο ac σύστημα ή ραδιοτηλεπικοινωνιακές παρεμβολές. Εγκαθίστανται κλάδοι υψηπερατών φίλτρων απόσβεσης (high pass damped filters) με σκοπό την εξάλειψη των αρμονικών υψηλής τάξης, καθώς το αρμονικό περιεχόμενο χαμηλής τάξης του ρεύματος είναι μικρό. Συνήθως ένα επιπλέον τέτοιο φίλτρο δεύτερης τάξης (σχήμα 29) χρησιμοποιείται στα VSC συστήματα, η χαρακτηριστική συχνότητα του οποίου επιλέγεται βάσει του διακοπτικού ελέγχου [18]. Τα ac φίλτρα σχεδιάζεται επίσης έτσι ώστε να έχουν χωρητική συμπεριφορά στην θεμελιώδη συχνότητα για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Οι πυκνωτές των φίλτρων επιλέγονται έτσι ώστε η άεργος ισχύος που παρέχεται από αυτούς να μην υπερβαίνει την απαίτηση άεργου ισχύος των μετατροπέων κατά την λειτουργία του συστήματος στο κατώτατο επίπεδο. Αυτό γίνεται για να αποφευχθούν υπερτάσεις στο σύστημα [19]. Για τον σχεδιασμό των υψηπερατών ac φίλτρων χρησιμοποιούνται ο συντελεστής ποιότητας Q (Quality factor) και η τάξη αρμονικών. Τα dc φίλτρα είναι συνήθως μικρότερα και φθηνότερα από τα ac φίλτρα. Τα μοντέρνα dc είναι τα ενεργά dc φίλτρα, στα οποία το παθητικό μέρος είναι το μικρότερο μέρος του φίλτρου και χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά ισχύος για την μέτρηση, την μετατροπή και την επανέγχυση (re-injection) των αρμονικών. Τα συμβατικά ac φίλτρα εκτός από την λειτουργία ως αρμονικά φίλτρα, μπορούν να παρέχουν άεργη ισχύ στο σύστημα, αν και στα VSC συστήματα η άεργη ισχύος αλλά και το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος σχετίζεται άμεσα με την συχνότητα PWM. Η παροχή άεργη ισχύος από ενεργά φίλτρα, αν και δυνατή, αποφεύγεται λόγω του κόστους που συνεπάγεται ένας μεγάλος πυκνωτής dc. 44

45 Στο σχήμα 3 συγκρίνεται το κόστος ενός ενεργού dc φίλτρου με το κόστος ενός συμβατικού dc φίλτρου. Φαίνεται ότι το κόστος του δεύτερου αυξάνει δραματικά όσο μειώνεται το ρεύμα διαταραχής, ενώ το κόστος του ενεργού φίλτρου παραμένει σταθερό [5][17]. Σχήμα 3: Κόστος παθητικών φίλτρων και ενεργών φίλτρων συναρτήσει του ρεύματος διαταραχής 2.13 HVDC καλώδια Τα καλώδια εξηλασμένου πολυαιθυλενίου (extruded XLPE) χρησιμοποιούνται κυρίως στις εναέριες γραμμές μεταφοράς. Έχουν ως μόνωση δικτυωμένο πολυαιθυλένιο (cross-linked polyethylene) πάνω από τον αγωγό αλουμινίου ή χαλκού και καλύπτονται από ένα υδατοστεγές περίβλημα (συνήθως από εξηλασμένο μόλυβδο για υποθαλάσσια καλώδια ή από συγκολλημένο έλασμα αλουμινίου για επίγεια καλώδια), και από μία επιπλέον προστατευτική επένδυση από πλαστικό. Ο χαλκός αν και είναι ακριβότερος από το αλουμίνιο, έχει μικρότερη αντίσταση και μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, για αυτό προτιμάται ως υλικό για τους αγωγούς. Τα καλώδια εξηλασμένου πολυαιθυλένιου είναι καινούργια στην αγορά σε σχέση με τα καλώδια χαρτιού εμβαπτισμένα σε λάδι. Έχουν γενικά καλή μηχανική αντοχή και μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες (7 ο C) συγκριτικά με τα καλώδια χαρτιού εμβαπτισμένα σε λάδι, πράγμα το οποίο δίνει την δυνατότητα να μεταφέρουν υψηλότερο ρεύμα για δοσμένη διατομή αγωγού. Τα καλώδια εξηλασμένου πολυαιθυλένιου που προορίζονται για υποθαλάσσια χρήση έχουν ένα πρόσθετο στρώμα γαλβανισμένου χάλυβα (σχήμα 31) το οποίο αυξάνει την αντοχή εφελκυσμού του καλωδίου. Λόγω της πλαστικής μόνωσης έχουν πολύ μικρό αντίκτυπο στο περιβάλλον σε περίπτωση εξωτερικής ζημιάς. 45

46 Σχήμα 31: XLPE καλώδιο Οι αρθρώσεις σύνδεσης τους είναι προκατασκευασμένες και έτσι χρειάζονται λιγότερο χρόνο ανά σύνδεση. Αυτό είναι χρήσιμο για τις επίγειες εφαρμογές όπου ο αριθμός των συνδέσεων είναι μεγάλος. Τα XLPE καλώδια χρησιμοποιούνται αποκλειστικά στα VSC-HVDC συστήματα εξαιτίας του ρίσκου που παρουσιάζεται από την αλλαγή πολικότητας της τάσης και των φαινομένων χωρικού φορτίου. Τα καλώδια χαρτιού εμβαπτισμένα σε λάδι (Mass Impregnated Cables) είναι ευρέως διαδεδομένα μέχρι σημέρα και προσφέρουν αξιοπιστία και δυνατότητα μεταφοράς υψηλής ισχύος τόσο για CSC όσο και για τα VSC συστήματα. Τα επίπεδα της τάσης τους πλησιάζουν τα 6kV. Οι αγωγοί τους είναι συνήθως χάλκινοι γιατί αυτά τα καλώδια πρέπει να λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμόκρασιες (55 ο ). Η μόνωση τους αποτελείται από πολλά στρώματα χαρτιού εμβαπτισμένο σε υψηλής πυκνότητας λάδι. Επίσης χρησιμοποιούνται ταινίες πολυπροπυλενίου με σκόπο της αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας στους 85 ο C. Τα υπόλοιπα περιβλήματα τους είναι όμοια με αυτά των XLPE καλωδίων [19][11]. Σχήμα 32: Διάρκεια ζωής των μονώσεων των καλωδίων σε συνάρτηση με την θερμοκρασία 46

47 Στο σχήμα 32 όπου NR φυσικό καουτσούκ, SR καουτσούκ σιλικόνης, EVA οξικό αιθύλιο βινυλίου, BR καουτσούκ βουτυλίου, EPR αιθυλοπροπυλένιο Λόγος βραχυκύκλωσης (Short Circuit Ratio) Ο λόγος βραχυκύκλωσης ορίζεται ως λόγος της ισχύος βραχυκύκλωσης του ac συστήματος προς την dc ισχύ. Όσο πιο ισχυρό είναι το ac σύστημα τόσο πιο μικρή είναι η αντίδραση του και όσο πιο αδύναμο είναι το ac σύστημα τόσο πιο μεγάλη η αντίδραση του. Τα ac φίλτρα που συνδέονται στα ac τερματικά αυξάνουν την ενεργό αντίδραση του ac συστήματος. Για 2 V SCMVA το κύκλωμα του σχήματος ισχύει SCR = Z (Σχέση 2.5) P = P. Όπου V η ονομαστική τάση γραμμής, Z η αντίδραση Thevenin, P dc η ενεργός ισχύς. dc dc Σχήμα 33: Κύκλωμα για τον υπολογισμό του λόγου βραχ/σης ac συστήματος Συχνότερα χρησιμοποιείται ο ενεργός λόγος βραχυκύκλωσης (Effective SCR), ο οποίος λαμβάνει υπόψη την παραγωγή άεργου ισχύος από τα ac φίλτρα, η οποία αυξάνει το ενδεχόμενο υπερτάσεων. Συνεπώς ο ESCR είναι μικρότερος συγκριτικά με τον SCR. SCMVA Qf O ESCR ορίζεται ως εξής, ESCR= (Σχέση 2.6), όπου Q f η άεργος ισχύς P dc που παράγεται από τους πυκνωτές αντιστάθμισης και τα ac φίλτρα. Η ταξινόμηση ενός ac συστήματος ανάλογα με το ESCR φαίνεται στο σχήμα 34. Σχήμα 34: Ταξινόμηση ac συστήματος βάσει του ενεργού λόγου βραχ/σης 47

48 Ο ESCR δίνει σημαντικές πληροφορίες για την συμπεριφορά του συστήματος. Χαμηλός ESCR σημαίνει εντονότερη αλληλεπίδραση μεταξύ του ac συστήματος και του HVDC υποσταθμού που, με αποτέλεσμα οι αλλαγές στο ac σύστημα ή στην ισχύ της HVDC διασύνδεσης να οδηγούν σε ταλαντώσεις της τάσης και στην ανάγκη πρόσθετων στρατηγικών ελέγχου [2] Aποτυχία μεταγωγής (Commutation failure) Στο σχήμα 35 φαίνεται το βασικό ισοδύναμο κύκλωμα ενός μετατροπέα φυσικής μεταγωγής, για τον οποίο περιγράφεται η διαδικασία μεταγωγής μεταξύ της βαλβίδας 1 και 3. Δίνονται επίσης οι αντίστοιχες κυματομορφές ρεύματος και τάσης. Σχήμα 35: Μεταγωγή ρεύματος μεταξύ των βαλβίδων 1 και 3 Υπό κανονικές συνθήκες η τάση στην βαλβίδα που απενεργοποιείται πρέπει να παραμείνει αρνητική για μια συγκεκριμένη περίοδο αφού πλέον δεν άγει (η περίοδος αυτή συμβολίζεται από την γωνία εξάλειψης γ), έτσι ώστε να είναι ικανή να μπλοκάρει την τάση προς τα εμπρός (forward voltage). Χωρίς παλμό έναυσης η βαλβίδα θα εξακολουθεί να μην άγει ή θα παραμένει μπλοκαρισμένη,ακόμα και αν είναι προς τα εμπρός πολωμένη. Όλες οι βαλβίδες απαιτούν την αφαίρεση των εσωτερικών αποθηκευμένων φορτίων που παράγονται κατά τη διάρκεια της περιόδου που άγουν προς τα εμπρός (που καθορίζεται από την περίοδο α+μ στον αντιστροφέα) προτού η βαλβίδα να μπορέσει να σταθεροποιήσει την ικανότητά της να μπλοκάρει μια προς τα εμπρός πόλωση. Ο αντιστροφέας επομένως απαιτεί μια ελάχιστη περίοδο αρνητικής πόλωσης ή ελάχιστης γωνίας εξάλειψης γ για να επιτευχθεί προς τα εμπρός μπλοκάρισμα. Αν η τάση της βαλβίδας γίνει θετική πρόωρα, η βαλβίδα μπορεί να ενεργοποιηθεί χωρίς καν παλμό έναυσης, με αποτέλεσμα την αποτυχία της διαδικασίας της μεγαγωγής. Αυτό οδηγεί επίσης σε μια άμεση αποτυχία να διατηρηθεί το ρεύμα στο φορτισμένο σκέλος του μετατροπέα καθώς το ρεύμα της dc γραμμής επιστρέφει στη βαλβίδα που ήταν πριν σε κατάσταση αγωγής και η οποία έχει αποτύχει να στηρίξει το προς τα εμπρός μπλοκάρισμα. 48

49 Η αποτυχία μεταγωγής παρατηρείται κυρίως στους αντιστροφείς όπου χρησιμοποιούνται μεγάλες γωνίες έναυσης. Η ελάχιστη γωνία εξάλειψης για την κανονική λειτουργία της βαλβίδας καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Όμως στους αντιστροφείς των HVDC συστημάτων η γωνία εξάλειψης ρυθμίζεται σε τιμή υψηλότερη ώστε να επιτρέπει τον έλεγχο και να αφήνει επαρκές περιθώριο ασφάλειας για τις απρόβλεπτες περιπτώσεις όπως σφάλματα. Σοβαρά σφάλματα όπως πτώσεις τάσεις, αλλαγές φάσης ή ξαφνική αύξηση του dc ρεύματος μπορεί να προκαλέσουν αποτυχία μεταγωγής, Η βασικότερη αιτία αποτυχιών μεταγωγής είναι τα σφάλματα στο ac σύστημα στο οποίο συνδέεται ο αντιστροφέας [5][6][8] Γωνίες της γέφυρας του CSC Ισχύουν τόσο για τους ανορθωτές όσο και για τους αντιστροφείς. Γωνία καθυστέρησης ή έναυσης α (delay or firing angle): Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από το μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης στην αρχική στιγμή της θετικής αγωγής του ρεύματος. Αυτή η γωνία ελέγχεται από την πηγή παλμών πύλης και εάν είναι μικρότερη από 9 ο, η γέφυρα μετατροπέων λειτουργεί ως ανορθωτής, ενώ αν είναι μεγαλύτερη από 9 ο λειτουργεί ως αντιστροφέας. Γωνία προόδου β (advance angle): Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από την αρχική στιγμή της θετικής αγωγής του ρεύματος στο επόμενο μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης. Ισχύει ότι β=18 ο -α. Γωνία επικάλυψης μ (overlap angle): H διάρκεια μετατροπής μεταξύ δύο διακοπτών που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο. Γωνίας σβέσης γ (extinction angle): Ο χρόνος που εκφράζεται στο ηλεκτρικό γωνιακό μέτρο από το τέλος της τρέχουσας αγωγής στο επόμενο μηδενικό πέρασμα της εξιδανικευμένης ημιτονοειδούς τάσης. Ισχύει ότι γ=18 ο -α-μ. 3. Έλεγχος HVDC συστημάτων 3.1 Τοπολογία CSC-HVDC συστήματος Ένα τυπικό κλασσικό HVDC σύστημα (σχήμα) αποτελείται από ac και dc φίλτρα, πυκνωτές αντιστάθμισης (shunt capacitor banks) ή άλλα μέσα αντιστάθμισης, μετασχηματιστές μετατροπέων, γέφυρες μετατροπέων, αυτεπαγωγές εξομάλυνσης, την γραμμή μεταφοράς dc και καλώδια. Οι μετατροπείς του συστήματος είναι φυσικής μεταγωγής μετατροπείς πηγής ρεύματος (CSC), οι οποίοι λειτουργούν ως ανορθωτές στο ένα τερματικό μετατρέποντας τα ac μεγέθη(τάση και ρεύμα) σε dc και ως αντιστροφείς στο δεύτερο τερματικό μετατρέποντας 49

50 τα dc μεγέθη σε ac. Πρόκειται για δωδεκαπαλμικούς μετατροπείς των οποίων οι εξαπαλμικές γέφυρες συνδέονται στα ac δίκτυα μέσω μετασχηματιστών με τυλίγματα συνδεσμολογιών Y-Y και Y-Δ. To dc ρεύμα διατηρείται σταθερό και η τιμή και η διεύθυνση της ροής ισχύος ελέγχονται με την αλλαγή της τιμής και της διεύθυνση της σχετικής τάσης U d 2( U d1 U d 2) όπως διαπιστώνεται από την εξίσωση Pd = (Σχέση 3.1) R dc Σχήμα 36: Τοπολογία CSC-HVDC συστήματος (μονοπολική διασύνδεση) Οι αρμονικές ρεύματος που παράγονται από τους μετατροπείς καταστέλλονται από τα ac φίλτρα. Κατά την διαδικασία της μετατροπής, οι μετατροπείς καταναλώνουν άεργο ισχύ η οποία αντισταθμίζεται κατά ένα ποσοστό από τα φίλτρα και κατά ένα άλλο ποσοστό από τους πυκνωτές αντιστάθμισης. Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης και τα dc φίλτρα μειώνουν την κυμάτωση του dc ρεύματος μεταφοράς. Η ισχύς που μεταφέρεται ελέγχεται από το σύστημα ελέγχου (control system), όπου ένας από τους μετατροπείς ελέγχει την dc τάση και ο άλλος μετατροπέας ελέγχει το dc ρεύμα. Το σύστημα ελέγχου λειτουργεί σύμφωνα με τις ρυθμίσεις της γωνίας έναυσης των βαλβίδων και σύμφωνα με τις ρυθμίσεις των μεγαγωγέων λήψης των μετασχηματιστών, με σκοπό να επιτύχει τον επιθυμητό συνδυασμό ρεύματος και τάσης. Η αντιστροφή της ροής ισχύος (power reversal) επιτυγχάνεται αντιστρέφοντας την πολικότητα των dc τάσεων και στα 2 τερματικά. Τα συστήματα ελέγχου των 2 υποσταθμών μιας διπολικής διασύνδεσης συνηθώς επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ενός διαύλου τηλεπικοινωνίας (telecommunication link) [18][53][4]. 3.2 Έλεγχος CSC-HVDC συστήματος To σύστημα λειτουργεί συνήθως σε κατάσταση σταθερής ισχύος (power control mode), η τάξη της οποίας ρυθμίζεται από τον διαχειριστή του συστήματος. Το ρεύμα αναφοράς (I order ) από τον κύριο ελεγκτή (master controller) αποστέλλεται στoυς ελεγκτές VDCOL των δύο υποσταθμών. Στην συνέχεια από τις εξόδους των ελεγκτών dc ρεύματος (CC), σταθερής 5

51 γωνίας σβέσης (CEA) ή και σταθερής dc τάσης, επιλέγεται η ελάχιστη γωνία έναυσης, η οποία αποστέλλεται στην μονάδα ελέγχου παλμών (Firing controls) για την παραγωγή των παλμών μετατροπέων [4]. Σχήμα 37: Βασικό διάγραμμα ελέγχου του CSC-HVDC συστήματος Η ακριβής και συνεχής μέτρηση των μεγεθών του συστήματος, δηλαδή η μέτρηση του dc ρεύματος, της dc τάσης, της γωνίας έναυσης α για τον ανορθωτή και της γωνίας σβέσης γ για τον αντιστροφέα, είναι απαραίτητη για τον έλεγχο του συστήματος. Ο αντιστροφέας ελέγχει την dc τάση διατηρώντας σταθερή την γωνία σβέσης, με αποτέλεσμα την μείωση της τάσης όταν αυξάνεται το ρεύμα όπως φαίνεται στην χαρακτηριστική A-B-C-D στο σχήμα 38. Όσο πιο αδύναμο είναι το ac σύστημα που συνδέεται στον αντιστροφέα τόσο πιο απότομη και η μεταβολή της τάσης. Εναλλακτικά ο αντιστροφέας μπορεί να λειτουργήσει σύμφωνα με την χαρακτηριστική B-H- E. Σε αυτή την περίπτωση για τον έλεγχο της dc τάσης η γωνία σβέσης θα πρέπει να αυξηθεί περά από την ελάχιστη τιμή της. Ο ανορθωτής του συστήματος ελέγχει το dc ρεύμα σύμφωνα με την χαρακτηριστική Q-C-H- R. Τα σημεία τομής των χαρακτηριστικών του ανορθωτή και του αντιστροφέα,είτε το C είτε το H, είναι τα σημεία λειτουργίας του HVDC συστήματος. Ο έλεγχος αυτός μπορεί να γίνει αν η γωνία έναυσης δεν είναι στην ελάχιστη τιμή της. Ο ανορθωτής πρέπει να διατηρεί το dc ρεύμα I d ίσο με το ρεύμα αναφοράς I order. Το πραγματικό ρεύμα μετριέται I d και το σφάλμα Ι d -I order αν είναι θετικό, αυξάνει την γωνία α του ανορθωτή. Αν το σφάλμα είναι αρνητικό, το α μειώνεται. Δηλαδή όσο το ρεύμα I d και η γωνία α είναι αντιστρόφως 51

52 ανάλογα. Ένας ελεγκτής ρεύματος με πολύ μεγάλο κέρδος προκαλεί μια σχεδόν κατακόρυφη χαρακτηριστική. Το σημείο λειτουργίας επιτυγχάνεται μέσω των μεγαγωγέων λήψεων των μετασχηματιστών των μετατροπέων. Ο αντιστροφέας πρέπει να διασφαλίσει την dc τάση ρυθμίζοντας το tap του μετασχηματιστή ώστε να επιτύχει το επιθυμητό επίπεδο λειτουργίας, εάν είναι στην λειτουργία σταθερής γωνίας σβέσης. Στην περίπτωση που ο αντιστροφέας είναι στην λειτουργία σταθερής τάσης, το tap changer του μετασχηματιστή πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να επιτραπεί η λειτουργία στο επίπεδο της dc τάσης U d, με γωνία σβέσης ίση ή λίγο μεγαλύτερη από την ελάχιστη γωνία σβέσης. Το tap changer των μετασχηματιστών των μετατροπέων του ανορθωτή ρυθμίζονται ώστε η γωνία έναυσης α να μπορεί να μεταβληθεί μεταξύ ενός μικρού διαστήματος και να διατηρεί σταθερό το ρεύμα I order. Αν ο αντιστροφέας λειτουργεί υπό σταθερή dc τάση στο σημείο Η και το I order αυξηθεί ώστε το σημείο λειτουργίας Η να μετακινηθεί μετά το σημείο Β, τότε ο τρόπος ελέγχου του αντιστροφέα θα γίνεται διατηρώντας σταθερή την γωνίας σβέσης γ και θα λειτουργεί στην χαρακτηριστική Α-Β. Η τάση U d θα είναι μικρότερη από την ζητούμενη οπότε μέσω του tap changer του μετασχηματιστή, ο αντιστροφέας θα αυξήσει την τάση για να πάρει την επιθυμητή τιμή. Η ροή ισχύος P d =V d I d ανάμεσα στους 2 τερματικούς σταθμούς μπορεί να ελεγχθεί ελέγχοντας το I d και διατηρώντας την τάση της γραμμής μεταφοράς σε όσο το δυνατόν υψηλότερα επίπεδα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες I d 2 R dc της γραμμής μεταφοράς. Αυτό το είδος ελέγχου προκαλεί μια μικρή γωνία α στον ανορθωτή και μια μικρή γωγία γ=γ min στον αντιστροφέα, ελαχιστοποιώντας έτσι την απαίτηση για άεργη ισχύ και στον ανορθωτή και στον αντιστροφέα. Η αντιστροφή της ροής ισχύος μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας το ρεύμα αναφοράς του αντιστροφέα υψηλότερα από αυτό του ανορθωτή. Σε περίπτωση dc σφάλματος θα πρέπει και οι δύο μετατροπείς να λειτουργούν ως αντιστροφείς για να μειώσουν το ρεύμα σφάλματος στο όσο το δυνατόν ταχύτερα. Αν δεν υπάρχει ελάχιστο όριο για την γωνία α στον αντιστροφέα, θα μπορούσε αυτός να λειτουργήσει ως ανορθωτής με μειωμένη γωνία α και να τροφοδοτεί το σφάλμα. Για αυτό πάντα το ελάχιστο όριο για την γωνία α είναι 11 ο [6][111]. 52

53 Σχήμα 38: Χαρακτηριστικές CSC στις λειτουργίες ανόρθωσης και αντιστροφής Συνοπτικά η κύρια λειτουργία του συστήματος ελέγχου είναι ο γρήγορος και ευέλικτος ελέγχος της ισχύος μεταξύ των δύο τερματικών στην στάσιμη κατάσταση και στις μεταβατικές καταστασικές, η καλύτερη ευστάθεια των ac συστημάτων, γρήγορη προστασία από και εκκαθάριση των dc και ac σφαλμάτων. Επίσης ελαχιστοποίηση των υπερτάσεων στις βαλβίδες, μείωση των ρευμάτων βραχυκύκλωσης στις βαλβίδες και στα καλώδια, μείωση της κατανάλωσης άεργου ισχύος και αποφυγή αποτυχιών μεταγωγής [5]. Η τυπική στρατηγική ελέγχου ενός κλασσικού HVDC συστήματος δύο παρουσιάζεται στο πίνακα 3.1. Επιθυµητά χαρακτηριστικά Λόγος Εφαρµογή ελέγχου 1 Περιορισµός του µέγιστου dc ρεύµατος I d 2 Λειτουργία στην µέγιστη dc τάση V d 3 Μείωση του φαινοµένου των αποτυχιών µεταγωγής 4 Μείωση της κατανάλωσης της άεργου ισχύος στους µετατροπείς Προστασία των βαλβίδων Μείωση απωλειών µεταφοράς Ευστάθεια των Ρύθµιση της τάσης και για οικονοµικούς λόγους Έλεγχος σταθερού ρεύµατος στον ανορθωτή Έλεγχος σταθερής τάσης στον αντιστροφέα Έλεγχος ελάχιστης γωνίας σβέσης στον αντιστροφέα Χρήση ελάχιστων γωνιών έναυσης Πίνακας 3.1: Στρατηγικές ελέγχου CSC-HVDC συστήματος 53

54 3.2.1 Κύριος ελεγκτής (Master controller) O master controller παράγει το ρεύμα αναφοράς από την ισχύ αναφοράς (power order), η οποία ορίζεται από τον διαχειριστή του συστήματος ή από ένα απομακρυσμένο κέντρο ελέγχου, για τους δύο ελεγκτές ρεύματος του συστήματος. Στο σχήμα 39 φαίνεται η δομή του master controller, όπου το ρεύμα αναφοράς παράγεται σε μία μονάδα και αποστέλλεται στον άλλο υποσταθμό μέσω τηλεπικοινωνιακής διάταξης. Σχήμα 39: Διάγραμμα master controller Όταν πρόκειται να γίνει μια αλλαγή στην ισχύ, εισάγεται ένα σήμα στον ελεγκτή ισχύος το οποίο τον ενεργοποιεί. Επίσης μαζί με το σήμα της ισχύος αναφοράς μπορεί να εισάγονται και άλλα σήματα όπως το ΔP mod, το οποίο προέρχεται από την απόκλιση συχνότητας σε ένα ή και στα δύο δίκτυα. Το ρεύμα αναφοράς προκύπτει διαιρώντας την συνολική ισχύ αναφοράς με την απόκριση τάσης (V dresponse ) που προέρχεται από ένα διαιρέτη τάσης (voltage divider). Για την αποφυγή υπερφότωσης λόγω θερμοκρασίας χρησιμοποιείται ένας περιοριστής του μέγιστου ρεύματος αναφοράς (overload limiter) στην μονάδα κύριου ελέγχου, με παραμέτρους την θερμοκρασία περιβάλλοντος, την θερμοκρασίας του υγρού ψύξης των βαλβίδων και την θερμοκρασία των θυρίστορ. Το μέγιστο δυνατό ρεύμα αναφοράς είναι το μικρότερο των οριακών ρευμάτων αναφοράς των 2 υποσταθμών Περιθώριο ρεύματος (Current margin) Το ρεύμα I order στέλνεται και στον ανορθωτή και στον αντιστροφέα. Για την αποφυγή σφαλμάτων συνηθίζεται να αφαιρείται μια μικρή τιμή από το ρεύμα I order που στέλνεται στον αντιστροφέα, γνωστή ως περιθώριο ρεύματος I margin. Ο αντιστροφέας έχει επίσης ένα ελεγκτή ρεύματος και επιχειρεί να ελέγξει το ρεύμα σύμφωνα με την τιμή I order -I margin, αλλά ο ελεγκτής ρεύματος του ανορθωτή υπό κανονικές συνθήκες υπερισχύει και διατηρεί το dc ρεύμα στο επίπεδο I order. Ο ελεγκτής ρεύματος του αντιστροφέα ενεργοποιείται μόνο στην περίπτωση που η γωνία έναυσης α στον ανορθωτή μειωθεί στην ελάχιστη τιμή της. Αυτό παρατηρείται εύκολα στο σχήμα όπου η χαρακτηριστική ελάχιστης γωνίας έναυσης στον 54

55 ανορθωτή είναι η P-Q. Αν για κάποιο λόγο όπως χαμηλή ac τάση (μεταγωγής) στον ανορθωτή, η χαρακτηριστική P-Q πέσει κάτω από το σημείο D ή E, τότε το σημείο λειτουργίας θα μετακινηθεί από το σημείο Η σε κάποιο άλλο σημείο, το οποίο είναι η τομή της κάθετης χαρακτηριστικής D-E-F και της χαμηλότερης χαρακτηριστικής P-Q. Ο αντιστροφέας ελέγχει το dc ρεύμα σύμφωνα με την τιμή I order -I margin και ο ανορθωτής ελέγχει αποτελεσματικά την dc τάση όσο λειτουργεί στην χαρακτηριστική ελάχιστης γωνίας έναυσης. Οι ελέγχοι πρέπει να είναι έτσι σχεδιασμένοι ώστε η μετάβαση ελέγχου του ρεύματος από τον ανορθωτή στον αντιστροφέα να είναι αυτόματη και ομαλή Περιορισμός της τάξης του ρεύματος από την τάση (Voltage Dependent Current Order Limit) Κατά την διάρκεια διαταραχών όπου η ac τάση στον ανορθωτή ή στον αντιστροφέα μειώνεται, δεν θα είναι χρήσιμο για ένα αδύναμο ac σύστημα αν το HVDC σύστημα προσπαθεί να διατηρήσει το πλήρες φορτίο. Μια βύθιση της ac τάσης σε οποιοδήποτε άκρο θα έχει ως αποτέλεσμα μειωμένη dc τάση επίσης. Στις χαρακτηριστικές ελέγχου (R-S-T για τον ανορθωτή και F-G για τον αντιστροφέα) φαίνεται ότι το ρεύμα αναφοράς μειώνεται αν μειωθεί η dc τάση. Ο ελεγκτής ο οποίος μειώνει το μέγιστο ρεύμα αναφοράς είναι γνωστός ως VDCOL. Ο ελεγκτής αυτός θα διατηρήσει το dc ρεύμα στο χαμηλότερο όριο κατά την διάρκεια της αποκατάστασης σφάλματος που προκλήθηκε από το ac σύστημα (αλλά και σφάλμα της dc γραμμής), βοηθώντας έτσι την αποκατάσταση του dc συστήματος. Μόνο όταν αποκατασταθεί επαρκώς η dc τάση θα επιστρέψει το dc ρεύμα στο προηγούμενο επίπεδο I order. 3.3 Τοπολογία VSC-HVDC συστήματος Τα VSC-HVDC συστήματα επικεντρώνουν το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω αρκετών παραγόντων, όπως η δομή τους, η δυνατότητα τους να ελέγχουν ανεξάρτητα την ενεργό και άεργο ισχύ, να αντιστρέφουν την ροή της ισχύος, η καλή ποιότητα ισχύος (power quality) κ.α. Η ελεγξιμότητα (high controllability) των μετατροπέων πηγής τάσης επιτρέπει την χρήση αυτών των συστημάτων σε μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών. Επίσης λογώ της συνεχώς αυξανόμενης ζήτησης ισχύος και της αδυναμίας να δημιουργηθούν νέες οδεύσεις γραμμών μεταφοράς, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η πυκνότητα ισχύος (power density) στις υπάρχουσες γραμμές. Σε αυτή την πρόκληση τα VSC-HVDC συστήματα μπορούν να αποτελέσουν λύση. Ένα τυπικό VSC-HVDC σύστημα (σχήμα 4) αποτελείται από 2 μετατροπείς πηγής τάσης, μετασχηματιστές μέσω των οποίων συνδέεται στα ac δίκτυα, ac φίλτρα, φασικές επαγωγικές αντιδράσεις, dc πυκνωτές και την γραμμή μεταφοράς dc. 55

56 Σχήμα 4: Τοπολογία VSC-HVDC συστήματος (συμμετρική μονοπολική διασύνδεση) Οι βαλβίδες σχηματίζονται από διακόπτες IGBT ή GTO και η διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM) χρησιμοποιείται για να παραχθεί η επιθυμητή κυματορφή της τάσης εξόδου. Με την PWM θεωρητικά είναι δυνατό να παραχθεί οποιαδήποτε κυματορφή στιγμιαία, με οποιοδήποτε πλάτος και φασική γωνία της θεμελιώδους συνιστώσας. Στην dc πλευρά υπάρχουν δύο συστοιχίες πυκνωτών ίδιου μεγέθους με σκοπό να παρέχουν ενεργειακή αποθήκευση και να διατηρούν το ισοζύγιο ενέργειας κατά την διάρκεια μεταβατικών φαινομένων, όπως και να μειώνουν την κυμάτωση της τάσης (voltage ripple) στην dc πλευρά. Το μέγεθος της κυμάτωσης της dc τάσης εξαρτάται από το μέγεθος των dc πυκνωτών. Ένας dc πυκνωτής χαρακτηρίζεται από την χρονική σταθερά, η οποία είναι ο χρόνος που χρειάζεται ο πυκνωτής για να φορτιστεί ο πυκνωτής χωρητικότητας C από μηδενική τάση εώς την ονομαστική τάσης V,.5CV τ = P 2 (Σχέση 3.2) όπου P η ενεργός ισχύς με την οποία τροφοδοτείται από τον μετατροπέα. Σχετικά μικρή χρονική σταθερά επιτρέπει τον γρήγορο έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος. 3.4 Ικανότητα μεταφοράς ισχύος του VSC-HVDC συστήματος Η βασική λειτουργία του VSC-HVDC συστήματος μπορεί να εξηγηθεί θεωρώντας ένα VSC συνδεδεμένο με το ac σύστημα όπως στο σχήμα

57 Σχήμα 41: Απλοποιημένο κύκλωμα σύνδεσης του VSC με το ac δίκτυο Ο μετατροπέας μπορεί να θεωρηθεί σαν μια ισοδύναμη ac πηγή τάσης της οποίας το πλάτος,η φάση και η συχνότητα μπορούν να ελέγχονται στιγμιαία και ανεξάρτητα. Άρα η VSC γέφυρα σαν μια πολύ γρήγορα ελέγξιμη σύγχρονη μηχανή έχει στιγμιαία φασική τάση 1 u= u m sin( ωt+ ϕ) + αρµονικές, όπου m α ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους, ω 2 dc a η θεμελιώδης γωνιακή συχνότητα και φ η διαφορά φάσης της τάσης εξόδου. Οι μεταβλητές m α και φ μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα και να παραχθεί οποιοσδήποτε συνδυασμός πλάτους και φάσης σε σχέση με την θεμελιώδη συνιστώσα της τάσης του ac συστήματος. Έτσι η πτώση τάσης Δv πάνω στην αντίδραση Χ μπορεί να μεταβάλλεται και να ελέγχεται με αυτόν τον τρόπο η ροή της ενεργού και άεργού ισχύος. Συγκεκριμένα η ροή ενεργού ισχύος μεταξύ του μετατροπέα και του ac συστήματος μπορεί να ελέγχεται ρυθμίζοντας την φασική γώνια μεταξύ της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης του μετατροπέα και της τάσης στο ac φίλτρο. Οπότε η ενεργός ισχύς που μεταφέρεται από τον μετατροπέα στο ac v u sinϕ σύστημα θα είναι P= (Σχέση 3.3). Χ Η ροή της άεργου ισχύος καθορίζεται από την σχετική διαφορά τάσεων του μετατροπέα και v ( v u cos ϕ) του φίλτρου, Q= (Σχέση 3.4). Χ Η ενεργός ισχύς στην ac πλευρά είναι ίση με την ενεργό ισχύ που μεταφέρεται από την dc πλευρά στην στάσιμη κατάσταση αγνοώντας τις απώλειες. Αυτό επιτυγχάνεται αν ένας μετατροπέας ελέγχει την ενεργό ισχύ που μεταφέρεται και ο άλλος ελέγχει την dc τάση. Η άεργος ισχύς που καταναλώνεται από τον μετατροπέα προσαρμόζεται για να ελέγχει την τάση του ac συστήματος ή και άλλες εγχύσεις άεργου ισχύος (reactive power injections). 57

58 Σχήμα 42: Φασικό διάγραμμα του VSC Η ικανότητα μεταφοράς ενεργού και άεργου ισχύος (active and reactive power capability) απεικονίζεται στο διάγραμμα P-Q. Υπάρχουν τρεις βασικοί παράγοντες που περιορίζουν την εξόδο ενεργού και άεργου ισχύος σε ένα VSC-HVDC σύστημα όπως φαίνεται στο σχήμα 43. Ο πρώτος είναι το μέγιστο ρεύμα μέσω των βαλβίδων, ο οποίος οδηγεί σε ένα μέγιστο κύκλο φαινόμενης ισχύος, όπου το μέγιστο ρεύμα και η ac τάση πολλαπλασιάζονται. Αν μειωθεί η ac τάση θα μειωθεί η ικανότητα φαινόμενης ισχύος ανάλογα με την πτώση τάσης. Ο δεύτερος παράγοντας είναι η μέγιστη dc τάση. Η ac τάση που παράγεται από τον μετατροπέα περιορίζεται από την επιτρεπόμενη μέγιστη dc τάση. Η άεργος ισχύς εξαρτάται κυρίως μεταξύ της διαφοράς της ac τάσης που μπορεί να παράγει ο μετατροπέας από την dc τάση και της ac τάσης του ac συστήματος. Αν η τάση του ac συστήματος είναι αρκετά υψηλή, αυτή η διαφορά θα είναι μικρή. Τότε η ικανότητα άεργου ισχύος θα είναι μέτρια αλλά μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας την ac τάση. Αυτό έχει νόημα από την σκοπιά της ευστάθειας. Το τρίτο όριο τίθεται από μέγιστο dc ρεύμα του καλωδίου αν η διασύνδεση δεν είναι back-to-back. Για χαμηλές ac τάσεις το όριο της φαινόμενης ισχύος παίζει τον σημαντικότερο ρόλο, ενώ για υψηλές ac τάσεις το όριο του dc είναι αρκετά περιοριστικό. Όμως στην δεύτερη περίπτωση δεν είναι τόσο βέβαιο αν θα είναι επιθυμητή η τροφοδότηση του συστήματος με άεργο ισχύ καθώς η ac τάση είναι υψηλή. Έτσι και στην δεύτερη περίπτωση η ικανότητα άεργου ισχύος καθορίζεται κυρίως από τον κύκλο φαινόμενης ισχύος. 58

59 Σχήμα 43: Καμπύλη ικανότητα μεταφοράς ισχύος του VSC-HVDC συστήματος Εάν η τάση εξόδου του μετατροπέα u μεταβληθεί, με χρήση PWM διαμόρφωσης κατά πλάτος και γωνία, είναι δυνατή η παροχή οποιουδήποτε συνδυασμού ενεργού και άεργου ισχύος που βρίσκεται μέσα στον κύκλο. Η ακτίνα του κύκλου αναπαριστά τα ονομαστικά MVA του μετατροπέα [18][53][4][54]. 3.5 Άμεσος έλεγχος ισχύος (Direct Power Control) Οι βασικές μέθοδοι ελέγχου ενός VSC-HVDC συστήματος είναι δύο, η μέθοδος άμεσου ελέγχου της ισχύος (Direct Power Control) και η μέθοδος ελέγχου διανύσματος (Vector Control). Η μέθοδος DPC βασίζεται σε σχήματα ελέγχου στιγμιαίας ενεργού και άεργου ισχύος. Στην DPC δεν υπάρχουν εσωτερικά blocks ελέγχου του ρεύματος και διαμόρφωσης PWM, γιατί οι καταστάσεις των διακοπτών του μετατροπέα από ένα πίνακα ελέγχου (switching table) που βασίζεται στα στιγμιαία σφάλματα μεταξύ των πραγματικών και των επιθυμητών τιμών της ενεργού και άεργου ισχύος. Συγκεκριμένα οι ροές ενεργού και άεργου ισχύος ελέγχονται άμεσα ρυθμίζοντας την διαφοράς φάσης φ και τον συντελεστή m α. Η πραγματική γωνία ισχύος (power angle) υπολογίζεται από τις τερματικές ποσότητες και συγκρίνεται με την επιθυμητή γωνία ισχύος, η οποία υπολόγιζεται από την την ενεργό ισχύ αναφοράς (active power order). To σφάλμα της γωνίας ισχύος υπόκειται σε επεξεργασία από ένα ελεγκτή γωνίας ισχύος (power angle controller) για να παραχθεί η φασική γωνία αναφοράς του σήματος διαμόρφωσης. Με παρόμοιο τρόπο, το σφάλμα μεταξύ της πραγματικής και της επιθυμητής άεργου ισχύος υπόκειται σε επεξεργασία από ένα ελεγκτή άεργου ισχύος (reactive power controller) για να παραχθεί το πλάτος αναφοράς του σήματος διαμόρφωσης. Ένα κύκλωμα κλειδώματος φάσης (PLL) είναι υπεύθυνο για τον συγχρονισμό της τάσης εξόδου του μετατροπέα με το ac δίκτυο. 59

60 Σχήμα 44: Διάγραμμα άμεσου ελέγχου ισχύος Οποιαδήποτε αλλαγή στο πλάτος και στην γωνία της τάσης u επηρεάζει τόσο την ενεργό όσο και την άεργο ισχύ, µε συνέπεια να µην είναι δυνατός ο ανεξάρτητος έλεγχος του. Επίσης λόγω µειονεκτηµάτων, όπως η µεταβλητή συχνότητα µετάβασης (switching frequency) και η ανάγκη για γρήγορες µετατροπές και υπολογισµούς, η χρήση της DPC συνήθως αποφεύγεται [18]. 3.6 Έλεγχος διανύσματος (Vector control) Ο έλεγχος διανύσματος είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος ελέγχου ενός VSC-HVDC συστήματος. Ο έλεγχος διανύσματος περιλαμβάνει αναπαράσταση των τριφασικών ποσοτήτων στο σύγχρονο σύστημα αναφοράς dq. Οι μετασχηματισμοί Clark και Park και οι αντίστοιχοι αντίστροφοι μετασχηματισμοί χρησιμοποιούνται για τις μετατροπές μεταβλητών (φασικές τάσεις και ρεύματα) μεταξύ των συστημάτων αναφοράς. Ο μετασχηματισμός των ποσοτήτων σε dq συντεταγμένες αποτελείται από δύο στάδια, πρώτα γίνεται ο μετασχηματισμός Clark από το τριφασικό στατικό σύστημα συντεταγμένων στο διφασικό αβ στατικό σύστημα συντεταγμένων και ύστερα γίνεται ο μετασχηματισμός Park από το αβ στατικό σύστημα συντεταγμένων στο σύγχρονο στρεφόμενο dq σύστημα(είναι συγχρονισμένο με το ac δίκτυο). Οι ομοπολικές συνιστώσες (zero-sequence components) μπορούν να μην ληφθούν υπόψη αν θεωρηθεί συμμετρικό το τριφασικό σύστημα στην μοντελοποίηση. Τα συστήματα αναφοράς και οι μετασχημάτισμοι τους φαίνονται στο σχήμα 45. 6

61 Σχήμα 45: Μετασχηματισμός αξόνων για τον έλεγχο διανύσματος Το σύστημα αναφοράς dq στρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα ω σε σχέση με σύστημα αβ, και σε κάθε χρονική στιγμή η θέση του άξονα d σε σχέση με τον άξονα α δίνεται από την γωνία θ=ωt. Ένα από τα βασικότερα πλεονέκτηματα του ελέγχου διανύσματος είναι ότι τα διανύσματα των ac ρευμάτων και τάσεων εμφανίζονται ως σταθερά διανύσματα(constant vectors) στην στάσιμη κατάσταση, και έτσι τα στατικά σφάλματα (static errors) στο σύστημα ελέγχου μπορούν να απομακρυνθούν επιτυχώς εφαρμόζοντας PI ελεγκτές [18]. Παρακάτω περιγράφονται οι δυναμικές εξισώσεις του μοντέλου του σχήματος που συνδέει ένα τριφασικό δίκτυο με ένα VSC. Σχήμα 46: Μονοφασικό ισοδύναμο VSC diαβ Σε στατικές συντεταγμένες στην ac πλευρά ισχύει L = vαβ uαβ Riαβ (Σχέση 3.5) dt Μετασχηματίζοντας την εξίσωση σε σύγχρονες συντεταγμένες didq L = vdq udq ( R+ Ljω) idq (Σχέση 3.6) dt O όρος Ljω στην σχέση 3.6 παριστάνει την χρονική παράγωγο της περιστροφής του συστήματος dq. Πιο αναλυτικά, 61

62 di dt di d L = vd ud Rid + Lωiq q L = vq uq Riq L id dt ω (Σχέσεις 3.7) Από τις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει το ισοδύναμο κύκλωμα του VSC στο σύγχρονο σύστημα συντεταγμένων dq. Σχήμα 47: Ισοδύναμα κυκλώματα του VSC στο σ.σ. dq Το σ.σ. dq επιλέγεται έτσι ώστε η συνιστώσα d της τάσης να συμπίπτει με την τάση του ζυγού φίλτρων, έτσι θα είναι v d =v και v q =. Η στιγμιαία ενεργός και άεργη ισχύ περιγράφονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: p= v i d d q= v i d q (Σχέσεις 3.8) Οι εξισώσεις που συνδέουν τα μεγέθη της dc πλευράς: dudc Cdc = idc il dt p = v i (Σχέσεις 3.9) dc dc dc Οι σχέσεις περιγράφουν πλήρως τον VSC του σχήματος 46. Όπως φαίνεται ο μετασχηματισμός στο στρεφόμενο σύστημα dq οδηγεί στο ανεξάρτητο έλεγχο των ρευμάτων i d και i q, κατά συνέπεια και ο ανεξάρτητος έλεγχος της ενεργού και της άεργου ισχύος είναι δυνατός, υποθέτοντας ότι το PLL λειτουργεί σωστά. Έτσι το σύστημα ελέγχου του VSC μπορεί να έχει δομή ακολουθιακή (cascade structure) που αποτελείται από ένα εξωτερικό βρόγχο ελέγχου (outer control loop) που παρέχει τα ρεύματα αναφοράς και από ένα εσωτερικό βρόγχο ελέγχου του ρεύματος(inner control loop) που εφαρμόζει τους μετασχηματισμούς που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Ο εξωτερικός βρόγχος ελέγχου περιλαμβάνει τον ελεγκτή dc τάσης,τον ελεγκτή ενεργού ισχύος, τον ελεγκτή άεργου ισχύος και τον ελεγκτή ac τάσης, ανάλογα με την εφαρμογή. Το ρεύμα αναφοράς i d ref παράγεται από τον ελεγκτή dc τάσης ή τον ελεγκτή ενεργού ισχύος, ενώ το ρεύμα αναφοράς i q ref παράγεται από τον ελεγκτή ac τάσης ή από τον ελεγκτή άεργου ισχύος [18][53][4][54]. 62

63 Στο σχήμα 48 φαίνονται οι ελεγκτές ενός VSC-HVDC συστήματος με έλεγχο διανύσματος. Οι ελεγκτές του VSC-2 είναι όμοιοι με αυτούς του VSC1. Σχήμα 48: Διάγραμμα ελέγχου διανύσματος Εσωτερικός ελεγκτής ρεύματος (Inner Current Controller) O εσωτερικός ελεγκτής ρεύματος χρησιμοποιεί το σύστημα συντεταγμένων dq. Αποτελείται από PI ελεγκτές (regulator στο διάγραμμα), παράγοντες αποσύζευξης(decoupling factors) και όρους προσωτροφοδότησης (feed-forward terms). Το block ελέγχου περιγράφεται σχήμα 49. Σχήμα 49: Γενικό διάγραμμα εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος Ο εσωτερικός ελεγκτής ρεύματος παρακολουθεί το διάνυσμα του ρεύματος αναφοράς i dq (ac ρεύμα), επομένως και τις συνιστώσες i d και i q, με ένα σχήμα προσωτροφοδότησης για να επιτυγχάνει γρήγορο έλεγχο του ρεύματος ανάλογα με τις αλλαγές του φορτίου και τις διαταραχές (έτσι ώστε π.χ. τα σφάλματα βραχυκύκλωσης να μην υπερβαίνουν τις αναφορές). Στην ουσία έχοντας γνωστά τα διανύσματα τάσης αναφοράς u dq,υπολογίζει τις ορθές τάσεις στον μετατροπέα, προσθέτοντας τις πτώσεις τάσης (Δv) εξαιτίας των 63

64 ρευμάτων που διαρρέουν την αντίδραση R+Lωj. Ο διαχωρισμός των συνιστωσών του ρεύματος i d και i q γίνεται έτσι ώστε να προκύψουν δύο ανεξάρτητα μοντέλα πρώτης τάξης, για αυτό στο εσωτερικό βρόγχο υπάρχουν 2 PI ελεγκτές αντίστοιχα. Επίσης μια αναλογική ολοκληρωτική(pi) ανάδραση του ρεύματος του μετατροπέα χρησιμοποιείται για να μειώσει το σφάλμα στο μηδέν στην στάσιμη κατάσταση. Η συνάρτηση μεταφοράς ενός PI ελεγκτή είναι: Ki 1+ Ti s H ( s) = K p+ = K p ( ) (Σχέση 3.1) s T s i Όπου Κ p το αναλογικό κέρδος, K i το ολοκληρωτικό κέρδος και η σταθερά T i = Κ p / K i είναι οι παράμετροι που πρέπει να καθοριστούν. Άρα για το μπλοκ του PI ελεγκτή θα ισχύει ref Ki ref ( idq idq )( K p+ ) = udq (Σχέση 3.11). s Από την σκοπιά του ελέγχου ο μετατροπέας PWM θεωρείται σαν ένας ιδανικός μετασχηματιστής ισχύος, η τάση εξόδου του οποίου ακολουθεί ένα σήμα αναφοράς τάσης με μέση χρονική καθυστέρηση (time delay) ίση με το μισό ένος κύκλου μεταγωγής (switching cycle). Η γενική συνάρτηση μεταφοράς του μετατροπέα PWM είναι 1 Y ( s) = (Σχέση 3.12) και για το αντίστοιχο μπλοκ ισχύει + T s u dq 1 a 1 ref = udq (Σχέση 3.13). 1 + T s a Η συμπεριφορά του συστήματος περιγράφεται από τις σχέσεις 3.7. Όπως φαίνεται από τις εξισώσεις ο VSC είναι ένα σύστημα πολλαπλών εισόδων και εξόδων, ένα ισχυρά συζευγμένο μη γραμμικό σύστημα (strongly coupled nonlinear system). Έτσι είναι δύσκολο να οριστεί ένα ακριβές σύστημα αποσύζευξης (decoupled control) με γενικές γραμμικές μεθόδους ελέγχου. Οι μετασχηματισμένες εξισώσεις της τάσης κάθε άξονα έχουν όρους συχνότητας (Lωi q, Lωi d ), οι οποίοι δημιουργούν μια σύζευξη μεταξύ των δύο αξόνων. Άρα ένας σύστημα κλειστού βρόγχου με αποσυζευγμένη αντιστάθμιση ρεύματος (decoupled current compensation) και με αντιστάθμιση προσωτροφοδότηση της τάσης (voltage feed-forward compensation) είναι απαραίτητος για να έχουμε καλή απόδοση στο έλεγχο. Από το μπλοκ ελέγχου του εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος και υποθέτοντας ότι η PWM παραμένει στην γραμμική περιοχή (u dq =u dq ref ) προκύπτει ο μετασχηματισμός Laplace ref u ( s) = ( i ( s) i ( s)) H ( s) (Σχέση 3.14) dq dq dq Οι είσοδοι του συστήματος τροποποιούνται ώστε να περιλαμβάνουν μια συνιστώσα που λαμβάνεται από τον PWM μετατροπέα και όρους προσωτροφοδότησης, με σκόπο να εξαλειφθούν οι όροι σύζευξης (cross-coupling terms) όπως φαίνεται παρακάτω, 64

65 Συνδυάζοντας τις σχέσεις 3.7, 3.14, 3.15 προκύπτει ότι: di d ud = Rid + L dt di q uq = Riq+ L dt (Σχέσεις 3.16) Από όπου φαίνεται ότι οι όροι σύζευξης έχουν εξαλειφθεί και έχει επιτευχθεί ο ανεξάρτητος έλεγχος στους άξονες d και q. Επίσης οι εξισώσεις στους δύο άξονες έχουν την ίδια μορφή, συνεπώς είναι αρκετή η ανάλυση μόνο στο άξονα d. Λαμβάνοντας τον μετασχηματισμό Laplace των εξισώσεων 3.16, 1 idq ( s) = udq ( s) (Σχέση 3.17) sl+ R Τελικά η συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος γίνεται όπου η χρονική σταθερά L τ =. R 1 1 G( s) = (Σχέση 3.18), R 1+ sτ Σχήμα 5: Λεπτομερές διάγραμμα του εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος 65

66 3.6.2 Εξωτερικοί ελεγκτές (Outer controllers) Οι εξωτερικοί ελεγκτές αποτελούνται από τον ελεγκτή dc τάσης, τον ελεγκτή dc τάσης, τον ελεγκτή ενεργού ισχύος και τον ελεγκτή άεργου ισχύος. Το ρεύμα i d χρησιμοποιείται για τον έλεγχο είτε της ροής της ενεργού ισχύος είτε της dc τάσης. Ομοίως, το άεργο ρεύμα i q χρησιμοποιείται είτε για τον έλεγχο της ροής της άεργου ισχύος στο ισχυρό ac δικτύο είτε την ac τάση στην περίπτωση αδύναμου ac δικτύου. Σχήμα 51: Γενικό διάγραμμα εξωτερικών ελεγκτών Η μεταβλητή Χ ref παριστάνει την επιθυμητή τιμή των εξωτερικών ελεγκτών και η X την πραγματική τιμή της ελεγχόμενη μεταβλητής. Οι εξωτερικοί ελεγκτές πρέπει να είναι κατά πολύ βραδύτεροι από τον εσωτερικό ελεγκτή ρεύματος έτσι ώστε να διαφαλιστεί η ευστάθεια του συστήματος. Έτσι, για τον σχεδιασμό των εξωτερικών ελεγκτών, η απόκριση των βρόγχων ελέγχου ρεύματος μπορεί να θεωρηθεί ακαριαία, δηλαδή i dq =i dq ref. Οι εξωτερικοί ελεγκτές παρέχουν τις αναφορές των ρευμάτων στον εσωτερικό ελεγκτή ρεύματος και ακολούθως αυτός παράγει τις αναφορές τάσης, τις οποίες παρέχει στον μετατροπέα PWM του VSC Ελεγκτής ενεργού ισχύος (Active power controller) Αν υποτεθεί ότι η τάση v d στο στρεφόμενο σύστημα dq είναι σταθερή, τότε η ροή ενεργού ισχύος μπορεί να ελέγχεται μέσω του ενεργού ρεύματος i d όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 52: Διάγραμμα ελεγκτή ενεργού ισχύος 66

67 Η έξοδος του ελεγκτή ενεργού ισχύος i ref d ref p = θα είναι η είσοδος αναφοράς του v ελεγκτή ρεύματος του άξονα d που περιλαμβάνεται στον εσωτερικό βρόγχο ρεύματος (Inner current loop). Για να περιοριστεί το ρεύμα του VSC συστήματος τίθενται όρια στην έξοδο του ελεγκτή μέσω μιας συνάρτησης περιορισμού. Στο σχήμα υπάρχει ένας βρόγχος ανάδρασης σε συνδυασμό με τον ανοιχτό βρόγχο του ελεγκτή που χρησιμοποιεί PI έλεγχο με σκοπό τον ακριβέστερο έλεγχο. d Ελεγκτής άεργου ισχύος (Reactive power controller) Ομοίως, ο ελεγκτής άεργου ισχύος έχει ως έξοδο το ρεύμα i ref q ref q = που θα είναι η v είσοδος αναφοράς του ελεγκτή ρεύματος του άξονα q που περιλαμβάνεται στον εσωτερικό βρόγχο ρεύματος. Το ρεύμα i q ref περιορίζεται στην έξοδο του ελεγκτή κατά τέτοιο τρόπο ώστε το συνολικό ρεύμα του μετατροπέα να μην είναι υπερβαίνει το ονομαστικό ρεύμα του. Δίνεται προτεραιότητα στην μεταφορά ενεργού ισχύος και έτσι για το μέγιστο i q ισχύει i q max = I ( i ), όπου I max =I rated. 2 ref 2 max d d Σχήμα 53: Διάγραμμα ελεγκτή άεργου ισχύος Ελεγκτής dc τάσης (Dc voltage controller) Ο ελεγκτής dc τάσης είναι απαραίτητος για να διατηρείται σταθερή η μεταφερόμενη ενεργός ισχύς μεταξύ των μετατροπέων. Αντίστοιχα η ενεργός ισχύς και η άεργος ισχύς από τις σχέσεις 3.8 είναι: p= v i ref d d q= v i ref d q 67

68 Αγνοώντας τις απώλειες στους μετατροπείς και στις φασικές επαγωγικές αντιδράσεις και εξισώνοντας τις ισχείς στην ac και την dc πλευρά προκύπτει ότι i dc ref vdid = (Σχήµα 3.18). u dc Οποιάδηποτε μεταβολή στην ισχύ λόγω αστάθειας προκαλεί μεταβολή στην dc τάση του dc πυκνωτή. Έτσι από το σχήμα 46 του VSC στην dc πλευρά θα είναι C dc du dt dc ref vdid = il (Σχήµα 3.19), από όπου γραμμικοποιώντας την εξίσωση γύρω u dc από το σημείο λειτουργίας στάσιμης κατάστασης και θεωρώντας το i L σήμα διαταραχής, η vd συνάρτηση μεταφοράς από την u dc στο i d προκύπτει G( s) = (Σχήµα 3.2), sc u όπου u dc είναι τάση του dc πυκνωτή στη στάσιμη κατάσταση [18]. Επειδή η σύναρτηση G(s) έχει ένα πόλο στο είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Εισάγοντας ένα βρόγχο ανάδρασης για την απόσβεση της ενεργού ισχύος (active power damping) η vd udc συνάρτηση μεταφοράς γίνεται G( s) = (Σχέση 3.21), όπου G α η vd scdc+ Ga ( ) u συνάρτηση μεταφοράς της ανάδρασης. dc dc dc Σχήμα 54: Διάγραμμα ελεγκτή dc τάσης Εφόσον το σύστημα είναι πρώτης τάξης, μπορεί να εφαρμοστεί PI έλεγχος για να ελεγχθεί η dc τάση. Κάτω από συνθήκες ευσταθούς λειτουργίας i dc =i L, κατά συνέπεια η αναφορά του ref udc ρεύματος i d θα είναι i L που είναι ο όρος προσωτροφοδότησης και διασφαλίζει v ακριβή αντιστάθμιση για τις μεταβολές του φορτίου. d 68

69 3.6.6 Ελεγκτής ac τάσης (Αc voltage controller) Η πτώση τάσης Δv στην φασική αυτεπαγωγή μπορεί να προσεγγιστεί ως εξής Rp+ωLq v. Υποθέτοντας ωl>>r για την φασική επαγωγική αντίδραση, η πτώση v τάσης εξαρτάται μόνο από την άεργο ισχύ, κατά συνέπεια και η μεταβολή της ac τάσης, πράγμα που σημαίνει ότι η ac τάση μπορεί να ρυθμιστεί ελέγχοντας την συνιστώσα q του ρεύματος. Σχήμα 55: Διάγραμμα ελεγκτή ac τάσης 4.Υλοποίηση VSC-HVDC συστήματος 4.1 Περιγραφή μοντέλου Το μοντέλο προσομοιώνει ένα VSC-HVDC σύστημα με ονομαστική τάση ±2kV που μεταφέρει ενεργό ισχύ 5MW. Το επίπεδο της dc τάσης επιλέχτηκε ως μέση λύση με βάση την μεταφερόμενη dc ισχύ [11]. Το ονομαστικό ρεύμα επομένως θα είναι 5MW Idc = = 2.5kA, το οποίο είναι το διπλάσιο του dc ρεύματος θετικού και 2kV αρνητικού πόλου της διασύνδεσης. Έτσι κάθε πόλος διαρρέεται από 1,25kA στις ονομαστικές συνθήκες. 69

70 Ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας διασυνδέονται μέσω καλωδίων XLPE 313km. Για την μοντελοποίηση των καλωδίων χρησιμοποιείται το μοντέλο ομοιόμορφα διανεμημένης γραμμής του Bergeron, λόγω του μεγάλου μήκους του καλωδίου κυρίως, αλλά και γιατί το μοντέλο γραμμής μεταφοράς του Bergeron αναπαριστά τα φαινόμενα κυματικής διάδοσης με μεγαλύτερη ακρίβεια και δεν εισάγει τεχνητό συντονισμό όπως το μοντέλο γραμμής με Π-ισοδύναμα [16]. Για την περίπτωση διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας χρησιμοποιείται υποβρύχιο καλώδιο 16km και επίγειο ή εναέριο καλώδιο 153km [22]. Το υποβρύχιο καλώδιο θα είναι χαλκού διατομής 1mm 2 και το υπόλοιπο αλουμινίου διατομής 16mm 2 [11]. Για τον υπολογισμό της αντίστασης dc των καλωδίων χρησιμοποιείται ο τύπος R=ρL/A, όπου ρ η ειδική αντίσταση του υλικού, L το μήκος του καλωδίου και A η διατομή του αγωγού. Άρα τα χαρακτηριστικά του υποβρύχιου τμήματος είναι.1678ω/km,.38mη/km,.19μf/km, ενώ του υπόλοιπου τμήματος.1659ω/km,.36mη/km,.23μf/km [2][21]. Εφόσον το πρώτο αποτελεί το 51% της συνολικής γραμμής και το δεύτερο το 49%, τα χαρακτηριστικά του μοντέλου γραμμής θα είναι.1668ω/km,.37mη/km,.21μf/km. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται θα μπορούσαν να είναι υπεραγώγιμα dc καλώδια (HTS DC cables) τα οποία αυξάνουν την ικανότητα μεταφοράς και έχουν μηδενικές απώλειες αγωγής στο dc ρεύμα [33][34]. Τα AC δίκτυα είναι 4kV και σχεδιάζονται έτσι ώστε να θεωρούνται ισχυρά και να έχουν γωνία απόσβεσης (damping angle) περίπου 8 ο στην θεμελιώδη συχνότητα και στην 3 η αρμονική για να αποφεύγονται οι ταλαντώσεις της τάσης κατά την διάρκεια διαταραχών στο σύστημα και για μικρότερα μεταβατικά φαινόμενα στην εκκίνηση [23]. Χρησιμοποιείται ειδικό μπλοκ (Three-Phase Programmable Voltage Source) για το AC δίκτυο 1 ώστε να είναι δυνατή η εφαρμογή βυθίσεων τάσης από την πλευρά του ac δικτύου. Οι σύνθετες αντιστάσεις των ac δικτύων αναπαρίστανται από L-R/L ισοδύναμα. Σχήμα 56: Ισοδύναμο κύκλωμα ac συστήματος Τα ac δίκτυα επιλέγονται έτσι ώστε να έχουν λόγο βραχυκύκλωσης κοντά στον ελάχιστο λόγο βραχυκύκλωσης 5 [22] στην ονομαστική ισχύ των 5MW. Λύνοντας τις εξισώσεις 4.1 για τα 2 ac συστήματα προκύπτουν οι παράμετροι τους με το πρώτο να έχει ισχύ βραχυκύκλωσης MVA και το δεύτερο MVA. 7

71 2 4 Z SCR= 5 Z = Rtotal + X total j (Σχέσεις 4.1) X total tanϕ = Rtotal RX 2( X 2+ Rj) Rtotal + X total j= X1 j+ 2 2 R + X 2 AC σύστημα 1: R=24Ω, L 1 =.1615H, L 2 =.4878H Ζ=62.367<82.69 ο Ω SCR=5.13 AC σύστημα 2: R=17Ω, L 1 =.17H, L 2 =.568H Ζ=61.98<83.57 ο Ω SCR=5.16 Σχήμα 57: Μοντέλο VSC-HVDC συστήματος Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται είναι 3 επιπέδων πολύ κοντά σε ένα ιδανικό VSC 3 επιπέδων, καθώς το επίπεδο της ισχύος είναι υψηλό και γιατί σε σχέση με τους VSC δύο επιπέδων παράγουν μικρότερη αρμονική παραμόρφωση στην έξοδο τους. Υπάρχει δυνατότητα επιλογής μεταξύ IGBT και GTO βαλβίδων. Η ευκολία με την οποία ελέγχονται οι IGBT βαλβίδες και η καταλληλότητα τους για λειτουργία με υψηλή συχνότητα μετάβασης (switching frequency), τις καθιστά καλύτερη επιλογή σε σχέση με τις GTO. Οι μετασχηματιστές μετατροπέων συνδέονται στα ac συστήματα και μετασχηματίζουν την τάση των ac συστημάτων σε κατάλληλο επίπεδο για τους μετατροπείς. Είναι της μορφής Wye-D, με τύλιγμα αστέρα με γειωμένο ουδέτερο στην πλευρά του ac συστήματος(πρωτεύον) και τύλιγμα τριγώνου στην πλευρά του μετατροπέα (δευτερεύον). Αυτή η διάταξη των τυλιγμάτων μπλοκάρει τις αρμονικές 3κ που παράγονται από τον 71

72 μετατροπέα. Άλλα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι η ικανοποιητική ευστάθεια της στα ασύμμετρα φορτία και ότι ο ουδέτερος στο 1 ον μπορεί να γειωθεί για να αποφευχθεί παραμόρφωση. Οι μεταγωγείς τάσης των ΜΣ (tap changers) προσομοιώνονται μέσω ενός παράγοντα που πολλαπλασιάζεται στα πρωτεύοντα τυλίγματα. Για τον ΜΣ ανορθωτή αυτός ο παράγοντας επιλέγεται.95, ενώ για τον ΜΣ αντιστροφέα.95. H αντίσταση και η αντίδραση διαρροής των ΜΣ επιτρέπουν την ρύθμιση του πλάτους και της φάσης της τάσης εξόδου των VSC, άρα και τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος εξόδου των VSC.Η συνολική τριφασική ονομαστική ισχύς των ΜΣ είναι 6MVA επιτρέποντας μικρή αύξηση της παρεχόμενης ισχύος από τα AC δίκτυα και βάσει της οποίας υπολογίζονται οι αντιστάσεις και αντιδράσεις των τυλιγμάτων σε pu. Ο κορεσμός των ΜΣ δεν προσομοιώνεται. Η διαμόρφωση που εφαρμόζεται είναι ασύγχρονη ημιτονοειδής PWM στους μετατροπείς με συχνότητα μετάβασης 27*5=135Ηz. Οι κύριες αρμονικές αρμονικές τάσης εμφανίζονται γύρω από τα πολλαπλάσια του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας. Με την PWM είναι δυνατή η στιγμιαία ρύθμιση της φάσης και του πλάτους της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Στην ασύγχρονη PWM επιλέγεται αρχικά μια συχνότητα μετάβασης και παραμένει σταθερή, καθώς η συχνότητα της κυματoμoρφής αναφοράς μεταβάλλεται, ενώ στην σύγχρονη PWM επιλέγεται αρχικά ένας συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας ο οποίος διατηρείται σταθερός καθώς η συχνότητα αναφοράς μεταβάλλεται. Η σύγχρονη PWM είναι χρήσιμη διότι αποκλείει την εμφάνιση υποαρμονικών της θεμελιώδους συχνότητας. Ωστόσο η χρησιμοποίηση της έχει νόημα μόνο όταν η συχνότητα μετάβασης είναι μικρή, δηλαδή μικρότερη του 1kHz [24]. Εφόσον ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας είναι μεγαλύτερος από 21, η ασύγχρονη PWM δεν αναμένεται να δημιουργήσει έντονες υποαρμονικές της θεμελιώδους συχνότητας [19]. Τα AC φίλτρα συνδέονται παράλληλα στην ac πλευρά του μετατροπέα. Τα μη γραμμικά στοιχεία όπως οι βαλβίδες των μετατροπέων παράγουν αρμονικά ρεύματα ή αρμονικές τάσεις οι οποίες περνούν στα ac συστήματα προκαλώντας δυσλειτουργία του εξοπλισμού και παρεμβολές στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Τα ac φίλτρα αποτρέπουν την διάδοση των αρμονικών ρευμάτων εκτρέποντας τα σε χαμηλής σύνθετης αντίστασης «μονοπάτια». Μειώνουν την ολική παραμόρφωση της τάσης και διορθώνουν τον συντελεστή ισχύος παρέχοντας άεργο ισχύ. Επειδή στους VSC λόγω της PWM υπάρχουν μόνο αρμονικές υψηλής συχνότητας αρκούν 2 υψιπερατά φίλτρα τύπου C συντονισμένα στην 27 η και 54 η αρμονική δηλαδή γύρω από τις 2 κυρίαρχες αρμονικές. Ετσι ο αριθμός των απαιτούμενων φίλτρων μειώνεται θεωρητικά σε σχέση με το κλασσικό HVDC σύστημα. Τα υψηπερατά φίλτρα τύπου C φιλτράρουν αρμονικές υψηλής τάξης, παρέχουν άεργο ισχύ, αποτρέπουν τα φαινόμενα συντονισμού και επιτρέπουν το φιλτράρισμα χαμηλών αρμονικών όπως η 3 η, ενώ παράλληλα διατηρούν μηδενικές απώλειες στην θεμελιώδη συχνότητα. Επίσης το μέγεθος των υψιπερατών φίλτρων είναι μικρό, καθώς η άεργος ισχύς ρυθμίζεται κυρίως από τον έλεγχο των μετατροπέων. 72

73 Σχήμα 58: Μοντέλο ac φίλτρων VSC-HVDC συστήματος Οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις μέσω των οποίων συνδέονται οι μετατροπείς στα ac δίκτυα δίνουν την δυνατότητα ελέγχου της ροής ενεργού και άεργου ισχύος. Επίσης δρουν σαν φίλτρα μειώνοντας το υψηλό αρμονικό περιεχόμενο των ρευμάτων. Στην dc πλευρά οι dc πυκνωτές επηρεάζουν την δυναμική συμπεριφορά του συστήματος γιατί λειτουργούν σαν αποθηκευτικά στοιχεία, και μειώνουν την κυμάτωση της dc τάσης. Το μέγεθος τους καθορίζεται από την χρονική σταθερά τ=c*z b, όπου Ζ b =2kV/125A στο μοντέλο. Η χρονική σταθερά τ είναι ο χρόνος που χρειάζεται για φορτιστεί ο πυκνωτής στην ονομαστική τάση της dc γραμμής (2kV). Το μέγεθος του πυκνωτή δεν πρέπει να επιλέγεται μόνο με βάση την στάσιμη κατάσταση αλλά και με βάση τις διαταραχές που συμβαίνουν στο σύστημα. Μικρή χωρικότητα του πυκνωτή συνεπάγεται γρηγορότερη απόκριση του μετατροπέα στα μεταβατικά φαινόμενα [12]. Χρησιμοποιούνται επιπλέον πυκνωτές στην dc πλευρά οι οποίοι δρουν σαν dc φίλτρα σε συνδυασμό με ένα κλάδο LC,κυρίως για την εξάλειψη της 3 ης αρμονικής που παράγεται από τους μετατροπείς και μεταφέρεται στις τάσεις των πόλων. Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης συνδέονται επίσης εν σειρά σε κάθε πόλο για την εξομάλυνση του ρεύματος. 73

74 Σχήμα 59: Μοντέλο VSC υποσταθμού Σχήμα 6: Διάγραμμα ελέγχου μοντέλου VSC-HVDC συστήματος 74

75 Οι δύο ελεγκτές VSC είναι πανομοιότυποι και αναξάρτητοι χωρίς καμία επικοινωνία μεταξύ τους. Ο κάθε μετατροπέας έχει δύο λειτουργίες ελέγχου. Ο ανορθωτής μπορεί να ελέγχει την ενεργό και την άεργο ισχύ και ο αντιστροφέας την τάση dc και την άεργο ισχύ. Ο έλεγχος της ac τάσης είναι δυνατός ως εναλλακτικός έλεγχος του ελέγχου της άεργου υσχύος, με έναν επιπλέον ελεγκτή που δεν προσομοιώνεται στο μοντέλο. Στην θεμελιώδη συχνότητα η ενεργός και άεργος ισχύς ορίζονται από τις σχέσεις (βάσει των συμβόλων του σχήματος) υποθέτοντας ότι η αντίδραση Χ μεταξύ VSC και του ζυγού φίλτρων είναι ιδανική: VFVV sinδ P= Χ VF ( VF VV cos δ ) Q= Χ (Σχέσεις 4.2) Όπου δ η διαφορά φάσης των δύο διανυσμάτων τάσης. Έτσι είναι δυνατός ο έλεγχος των ισχύων αλλάζοντας τις παραμέτρους του κυκλώματος. Για παράδειγμα είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού ισχύος μεταβάλλοντας την γωνία δ και ο έλεγχος της άεργου ισχύος μεταβάλλοντας το πλάτος της τάσης V v που καθορίζεται από την PWM (πλάτος της τάσης ελέγχου) [14][13][31][32]. Όπως εξηγήθηκε στην θεωρία, τα τριφασικά μεγέθη(ρεύματα και τάσεις) στο PCC εκφράζονται στο σύστημα αναφοράς dq, το οποίο περιστρέφεται σύγχρονα στην δοσμένη συχνότητα ω του ac συστήματος. Η στιγμιαία ενεργός και άεργος ισχύος που προσφέρει ή καταναλώνει το ac δίκτυο είναι αντίστοιχα 3 p= i v 2 3 q= i v 2 d ( dq) d ( dq) q( dq) d ( dq) Ενώ το ισοζύγιο ενεργού ισχύος ανάμεσα στην ac πλευρά και στην dc πλευρά είναι 3 i v = i v 2 d ( dq) d ( dq) dc dc (Σχέση 4.3) Όπου i dc το άθροισμα του dc πυκνωτή και του ρεύματος γραμμής. Επιπλέον η γωνία του v 1 β διανύσματος της τάσης δίνεται από την σχέση θ = tan ( ), όπου v α και v β οι συνιστώσες v της τάσης που προκύπτουν από τον μετασχηματισμό Clark. Η γωνία θ υπολογίζεται από το PLL [52][13][14]. Να σημειωθεί ότι όταν οι παραπάνω εξισώσεις εκφράζονται στο σύστημα p.u. ο παράγοντας 3/2 που προκύπτει από τον μετασχηματισμό του Park παραλείπεται [53]. Ο χρόνος δειγματοληψίας του μοντέλου του ελεγκτή VSC επιλέγεται 74.6 μs έτσι ώστε να είναι το 1 φορές ο χρόνος δειγματοληψίας των προσομοιώσεων (7.46μs). O χρόνος α 75

76 δειγματοληψίας των προσομοιώσεων επιλέγεται να είναι το 1% της περιόδου του φέροντος σήματος PWM (.1/135 s) παρέχοντας μια αποδεκτή ακρίβεια στις προσομοιώσεις. Όλα τα στοιχεία του μοντέλου πλην των ελεγκτών έχουν τον τελευταίο χρόνο δειγματοληψίας. Σχήμα 61: Μοντέλο VSC ελεγκτή Ο ελεγκτής VSC αρχικά μετασχηματίζει τις τριφασικές ποσότητες από το PCC (Point of Common Coupling) σε διανύσματα χώρου α (πραγματικό μέρος) και β (φανταστικό μέρος) μέσω του μπλοκ Clark Transformations Block. Τα σήματα μέτρησης της τάσης και του ρεύματος του πρωτεύοντος του μετασχημαστή περιστρέφονται κατά ±3 ο ανάλογα με την συνδεσμολογία του ΜΣ (YD1 ή ΥD11) για να έχουν το ίδιο σύστημα αναφοράς με τα σήματα μέτρησης του δευτερεύοντος. Το μπλοκ dq transformations block υπολογίζει τις συνιστώσες στον ευθύ (d) και στον εγκάρσιο (q) άξονα από τις ποσότητες α και β. Το μπλοκ Signal Calculations υπολογίζει και φιλτράρει διάφορες ποσότητες που χρησιμοποιούνται από τον ελεγκτή όπως ενεργός ισχύς,άεργος ισχύς, dc ρεύμα και τάση, συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. Το μπλοκ του PLL μετράει την συχνότητα του συστήματος και παρέχει την σύγχρονη φασική γωνία θ στον μπλοκ dq Transformations. Στην στάσιμη κατάσταση το ημίτονο sinθ είναι συμφασικό με την τάση της φάσης Α. Το μπλοκ Outer Active and Reactive and Voltage Loop περιέχει τους εξωτερικούς ελεγκτές και υπολογίζει το διάνυσμα αναφοράς του ρεύματος του μετατροπέα (I dqref ), το οποίο είναι είσοδος στον εσωτερικό ελεγκτή ρεύματος (Inner Current Loop). Στον άξονα d μπορεί να γίνει ο έλεγχος της ενεργού ισχύος στο PCC ή της συνολικής dc τάσης, και στον άξονα q μπορεί να γίνει ο έλεγχος της άεργου ισχύος. 76

77 Σχήμα 62: Μοντέλο εξωτερικών ελεγκτών Το μπλοκ Reactive Power Control regulator συνδυάζει ένα ολοκληρωτικό ελεγκτή με έλεγχο προσωτροφοδότησης για να αυξήσει την ταχύτητα απόκρισης. Για να αποφευχθεί η υπερύψωση στην απόκριση (integral wind-up) εφαρμόζονται τα ακόλουθα: Το σφάλμα ορίζεται στο όταν η μέτρηση της τάσης στο PCC είναι μικρότερη από μια σταθερή τιμή (πχ κατά την διάρκεια διαταραχών στο ac). Στο μοντέλο αυτή η σταθερή τιμή είναι.9pu. Όταν η έξοδος του είναι εντός των ορίων, το σφάλμα τροφοδοτείται πίσω με το σωστό σήμα στην είσοδο του ολοκληρωτή. Το μπλοκ AC Voltage control override βασισμένο σε 2 PI ελεγκτές παρακολουθεί την ac τάση και η έξοδος του προστίθεται στην τιμή της άεργου ισχύος με σκοπό να διατηρήσει την τάση στο PCC εντός ασφαλών ορίων. Θα παρακάμψει το Reactive Power Control regulator για να διατηρήσει την τάση στο PCC στην περίπτωση που αυτή μειωθεί κάτω από.9 pu. 77

78 Σχήμα 63: Μοντέλο ελεγκτή άεργου ισχύος Το μπλοκ Active Power Control είναι όμοιο με το Reactive Power Control. Το μπλοκ ράμπας εφαρμόζει μια ράμπα με καθορισμένη κλίση και τελική τιμή την επιθυμητή, όταν ενεργοποιείται ο έλεγχος. Όμοια η ράμπα γίνεται όταν ο μετατροπέας απενεργοποιείται. Το μπλοκ DC Voltage override βασίζεται και αυτό σε 2 PI ελεγκτές. Παρακολουθεί την dc τάση και η έξοδος του προστίθεται στην τιμή της ενεργού ισχύος με σκοπό να διατηρηθεί η dc τάση εντός ασφαλών ορίων. Θα παρακάμψει το Active Power Control κατά την διάρκεια διαταραχής όπου η ac τάση στο PCC μειωθεί κάτω από.9pu για να διατηρήσει την dc τάση εντός ασφαλών ορίων. Όλοι οι ελεγκτές έχουν εξωτερικά όρια. 78

79 Σχήμα 64: Μοντέλο ελεγκτή ενεργού ισχύος Το μπλοκ DC Voltage Control regulator έχει ένα PI ελεγκτή και ενεργοποιείται όταν απενεργοποιείται ο έλεγχος της ενεργού ισχύος. Η έξοδος του είναι η αναφορά συνιστώσας ρεύματος στον άξονα d για το μπλοκ Current Reference Limitation. Το μπλοκ Current Reference Calculation μετασχηματίζει τις αναφορές ενεργού και άεργου ισχύος, που υπολογίστηκαν από τους αντίστοιχους ελεγκτές, σε ρεύματα αναφοράς σύμφωνα με την μετρημένη τάση στον ζυγό των φίλτρων. Το διάνυσμα του ρεύματος αναφοράς περιορίζεται σε μία μέγιστη αποδεκτή τιμή στο μπλοκ Current Reference Limitation. Κατά την διάρκεια ελέγχου ενεργού η άεργου ισχύος (power control mode), δίνεται ίδια προτεραιότητα και στις 2 ισχείς όταν επιβάλλεται κάποιο όριο τροποποιώντας τις συνιστώσες των ρευμάτων αναφοράς με βάση τα όρια τους. Όταν ο ελεγκτής VSC όμως ελέγχει την dc τάση δίνεται προτεραιότητα στην ενεργό ισχύ. Σχήμα 65: Μοντέλο ελεγκτή dc τάσης 79

80 Στον εσωτερικό ελεγκτή ρεύματος το μπλοκ AC Current Control παρακολουθεί το διάνυσμα ρευμάτων αναφοράς (συνιστώσες d και q) με ένα σχήμα προσωτροφοδότησης για να επιτυγχάνεται γρήγορος έλεγχος του ρεύματος στις αλλαγές φορτίου και στις διαταραχές, π.χ. στα βραχυκυκλώματα τα ρεύματα να μην υπερβαίνουν τις αναφορές. Δέχεται ως είσοδο το γνωστό διάνυσμα τάσεων U _dq και υπολογίζει ποιες πρέπει να είναι οι τάσεις του μετατροπέα, προσθέτοντας τις πτώσεις τάσης στις φασικές επαγωγικές αντιδράσεις. Γίνεται η αποσύζευξη του ρεύματος στις συνιστώσες d και q έτσι ώστε να προκύψουν 2 ανεξάρτητα συστήματα πρώτης τάξης. Μια ανάδραση του ρεύματος Ι v_dq χρησιμοποιείται για να μειώσει το σφάλμα στο στην στάσιμη κατάσταση. Η έξοδος του μπλοκ AC Current Control είναι το διάνυσμα αναφοράς τάσης Vref_dq_tmp. Το μπλοκ Reference Voltage Conditioning λαμβάνει την πραγματική dc τάση και την θεωρικά μέγιστη τιμή της φασικής τάσης της γέφυρας σε σχέση με την dc τάση, για να δημιουργήσει ένα καινούργιο διάνυσμα αναφοράς. Στο μοντέλο με ονομαστική τάση δευτερεύοντος 2kV και dc τάση πόλου 2kV ο ονομαστικός συντελεστής διαμόρφωσης 2* 2 3 πλάτους θα είναι =.816. Το μπλοκ Reference Voltage Limitation περιορίζει το 2 διάνυσμα της τάσης αναφοράς στο πλάτος 1 pu γιατί η υπερδιαμόρφωση δεν είναι επιθυμητή. Κατόπιν εφαρμόζονται οι αντίστροφοι μετασχηματισμοί dq και Clark από τα αντίστοιχα μπλοκς για να παραχθεί η τριφασική τάση αναφοράς για το μπλοκ της PWM, όπου συγκρίνεται η τριφασική τάση αναφοράς με το τριγωνικό φέρον [-1,1] για να παραχθούν οι παλμοί των VSC. Οι καταστάσεις κάθε σκέλους (φάσης) του VSC καθορίζονται όπως στο σχήμα 66. Σχήμα 66: Καταστάσεις διακοπτών VSC 3 επιπέδων Όταν για παράδειγμα η τάση αναφοράς της φάσης Α είναι θετική και μεγαλύτερη από το φέρον τότε η κατάσταση του σκέλους είναι 1 και άγουν τα IGBTs Q1-Q3,αλλιώς η κατάσταση είναι και άγουν τα Q2-Q3. Όταν η τάση αναφοράς είναι αρνητική και 8

81 μεγαλύτερη από το φέρον τότε η κατάσταση είναι -1 και άγουν τα Q3-Q4, διαφορετικά η κατάσταση είναι και άγουν τα Q2-Q3. Σχήμα 67: Τριφασική τάση αναφοράς και τριγωνικό φέρον για την παραγωγή πάλμων Σχήμα 68: Μοντέλο εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος AC Current Control 4 Freq 3 U_dq emu Freq Mean In Variable Frequency Mean value IC:1. Freq In Mean Ki_accc IC: 1. Kp_accc Kf_accc d axis Ord 1 Iv_dq Iv _d emu Iv _q Meas Ki Kp Out Ud 1. Kf PI_regulator 2 I_ref _d emu q axis 1 Vref_dq_tmp Iref_dq I_ref _q Ord Meas Ki Out Uq Kp Kf Σχήμα 69: Block AC Current Control 81

82 Το μπλοκ DC Voltage Balance Control χρησιμοποιείται για να διατηρήσει την διαφορά της dc τάσης των 2 πόλων σταθερή (μηδενική) στην στάσιμη κατάσταση ώστε οι 2 τάσεις να είναι ίσες. Μικρές αποκλίσεις μεταξύ των dc τάσεων των 2 πόλων ενδέχεται να συμβούν κατά την διάρκεια μεταβολών του ενεργού ή του άεργου ρεύματος του μετατροπέα ή εξαιτίας μη γραμμικότητας που οφείλεται σε ανακριβή εφαρμογή της τάσης αναφοράς PWM στον μετατροπέα. Επίσης αποκλίσεις μεταξύ των τάσεων των πόλων μπορεί να προκύψουν λόγω ασυμμετρίας των σύνθετων αντιστάσεων του κυκλώματος. Το ρεύμα I do στον γειωμένο πόλο του VSC (midpoint current) καθορίζει την διαφορά την διαφορά U do μεταξύ των τάσεων των δύο πόλων μέσω της σχέσης d dud I = do ( I + d1 Id 2) = C ( Ud1 U d 2) C (Σχέση 4.4) dt = dt από τον κανόνα του Kirchhoff. Σχήμα 7: Ρεύματα στην dc πλευρά του VSC Αλλάζοντας τον χρόνος αγωγής των διακοπτών σε ένα πόλο είναι δυνατό να μεταβληθεί το ρεύμα I do και συνεπώς να ελεγχθεί η διαφορά U do. Για παράδειγμα μια θετική διαφορά U do μπορεί να μηδενιστεί αν το πλάτος της τάσης αναφοράς,η οποία δημιουργεί το θετικό ρεύμα I do, αυξηθεί και ταυτόχρονα το πλάτος της τάσης αναφοράς,η οποία δημιουργεί το αρνητικό ρεύμα I do, μειωθεί. Αυτό επιτυγχάνεται προσθέτοντας μια offset συνιστώσα στην ημιτονοειδή τάση αναφοράς, το οποίο συνεπάγεται παραμόρφωση της τάσης και να για να περιοριστεί το φαινόμενο της παραμόρφωσης ο έλεγχος πρέπει να γίνει αργός. Για καλύτερη απόδοση λοιπόν ο έλεγχος ισορροπίας της τάσης των πόλων πρέπει να ενεργοποιείται στον VSC που ελέγχει την dc τάση. Στο μοντέλο η μεταβλητή Udc mean είναι η διαφορά δυναμικού των δύο πόλων, η οποία όταν είναι θετική σημαίνει ότι ο θετικός πόλος έχει μεγαλύτερο δυναμικό, ενώ όταν είναι αρνητική σημαίνει ότι ο αρνητικός πόλος έχει μεγαλύτερο δυναμικό. [1][15][14][13][16][25][26][31][32] 82

83 Reset states when enabling Enable -1 1 V_ref_lim_abc < Relational Operator 1 Switch Voltage Sign 2 Iv_abc < 1 Reversed Current Sign 1 dv_ref_abc_dcvbc -1 3 Udc mean Ord Meas Ki_dcvbc Ki Out Kp_dcvbc Kp Kf PI_regulator Σχήμα 71: Block DC Voltage Balance Control 4.2 Εκκίνηση συστήματος και στάσιμη κατάσταση Τα κέρδη των ελεγκτών PI για την επίτευξη ικανοποιητικής απόκρισης του συστήματος επιλέχθηκαν βάσει των γενικών ποιοτικών κανόνων [28][29][3] που προκύπτουν από την αύξηση των κερδών και συνοψίζονται στο πίνακα. Κέρδος Αναλογικός κέρδος k p Ολοκληρωτικό κέρδος k i Χρόνος ανόδου Υπερύψωση Χρόνος αποκατάστασης Σφάλμα μόνιμης κατάστασης Μείωση Αύξηση - Μείωση Μείωση Αύξηση Αύξηση Εξάλειψη Πίνακας 4.1: Επίδραση της αύξησης του αναλογικού και του ολοκληρωτικού κέρδους στην απόκριση. AC σύστημα 1 AC σύστημα 2 ΜΣ ανορθωτή 4kV R=24Ω L 1 =.1615H L 2 =.4878H 4kV R=17Ω L 1 =.17H L 2 =.568H 6MVA [ V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu) ]= [4e3 * ] [ V2 Ph- Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu) ]= [2e ] Yg-D1 83

84 ΜΣ αντιστροφέα AC φίλτρα Magnetization resistance/inductance(pu)=5 6MVA [ V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu) ]= [4e3 * ] [ V2 Ph- Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu) ]= [2e ] Yg-D1 Magnetization resistance/inductance(pu)=5 27 η αρμονική: [Vn(Vrms) fn(hz)]= [22e3 5] Nominal reactive power (var)= 5e6 *.45 Tuning frequency (Hz)=27*5 Quality factor (Q)=15 54 η αρμονική: [Vn(Vrms) fn(hz)]= [22e3 5] Nominal reactive power (var)= 5e6 *.55 Tuning frequency (Hz)=54*5 Quality factor (Q)=15 Φασικές επαγωγικές αντιδράσεις.25 pu (.2+2j Ω) DC πυκνωτές 11μF Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης πόλων R=.15 Ω L=4 mh Αυτεπαγωγή εξομάλυνσης γειωμένου πόλου R= Ω L= mh VSC DC καλώδια l=313km R=.1668Ω/km L=.37mH/km C=21nF/km PWM generator Carrier frequency (Hz)=135 Nominal Voltages and Power: [ Vpcc(Vrms L- L), Vconv (Vrms L-L), Vdc (V L-L), Pnom (VA) ] = [4e3, 2e3, 4e3, 5e6] P Regulator [ Ki (1/s), Pmax (pu), Pmin (pu), Ramp (pu/s)] = [35, 1.1, -1., 1.43] P Control: Udc Override [ Kp, Ki (1/s), Ελεγκτής ανορθωτή Udc_max (pu), Udc_min (pu)] = [3., 3., 1.5,.9] Q Regulator [ Ki (1/s), Qmax (pu), Qmin (pu)]= [13,.5, -.5] Q Control: Uac Override [ Kp, Ki (1/s), U_max (pu), U_min (pu)] = [3., 3., 1.5,.94] Current Reference Limits [ lim_d (pu), lim_q (pu)]= [1.1,.8] Inner Current Regulator [ Kp, Ki (1/s), Kf (pu)] = [.9, 13,.4] Ελεγκτής αντιστροφέα Nominal Voltages and Power: [ Vpcc(Vrms L- L), Vconv (Vrms L-L), Vdc (V L-L), Pnom (VA) = [4e3, 2e3, 4e3, 5e6] DC Voltage Regulator [ Kp, Ki (1/s)] = [14, 4. ] Q Regulator [ Ki (1/s), Qmax (pu), Qmin (pu)] = [8,.5, -.5] Q Control: Uac Override [ Kp, Ki (1/s), U_max (pu), U_min (pu)] = [3., 3., 1.5,.94] 84

85 Ζυγοί Β1-Β2 στο PCC Ζυγοί φίλτρων Ζυγοί μετατροπέων Current Reference Limits [ lim_d (pu), lim_q (pu)]= [1.1,.8] Inner Current Regulator [ Kp, Ki (1/s), Kf (pu)] = [.9, 13,.4] DC Voltage Balance Control [ Kp, Ki (1/s)] = [.2,.3] Base power ( VA 3 phase) = 5e6 Nominal voltage used for pu measurement (Vrms phase-phase)= 4e3 Nominal voltage used for pu measurement (Vrms phase-phase)= 2e3 Base power ( VA 3 phase) = 5e6 Nominal voltage used for pu measurement (Vrms phase-phase)= 2e3 Πίνακας 4.2: Παράμετροι μοντέλου VSC-HVDC συστήματος 2 k V 1-1 Vdc P Vdc N p.u Udc_meas p.u..5 Pdc_meas Offset= (secs) Σχήμα 72: Dc τάσεις στους πόλους,συνολική dc τάση και dc ισχύς στον ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση 85

86 1 p.u..5 U_meas Offset= (secs) 1 p.u..5 P_meas Pref Offset= (secs).2 p.u. -.2 Q_meas Qref Offset= (secs) 1 p.u. -1 Uabc_B1 A Uabc_B1 B Uabc_B1 C Offset= (secs) 86

87 2 p.u. -2 Iabc_B1 A Iabc_B1 B Iabc_B1 C Offset= (secs) Σχήμα 73: Ac τάση, ενεργός και άεργος ισχύς,τριφασική τάση και ρεύμα στον ζυγό Β1 στην στάσιμη κατάσταση 1 p. u..5 Iv_d Iref_d p. u Iv_q Iref_q 2 Offset= (secs) p. u. 1 Mod_index Vref_abc A Vref_abc B Vref_abc C Σχήμα 74: Ρεύματα id-iq, συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους και τριφασική τάση αναφοράς(ελέγχου) του ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση 87

88 p. u. 1.5 Uf_meas p. u Uf_abc A Uf_abc B Uf_abc C 2 p.u Iv_abc A Iv_abc B Iv_abc C p. u. 1-1 Uv_abc A Uv_abc B Uv_abc C Offset= (secs) Σχήμα 75: Τάση στον ζυγό φίλτρων, τριφασικό ρεύμα ac και τριφασική τάση στον ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση.6.4 p.u Idc_P ka -1 Idc_P Idc_N p.u Idc_N Offset= (secs)

89 2 1 k V -1 Vdc P Vdc N p.u Udc_meas Udref p.u. -.5 Pdc_meas -1 Offset= (secs) Σχήμα 76: Dc ρεύματα, dc τάσεις στους πόλους, συνολική dc τάση και dc ισχύς στον αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση 1 p.u..5 U_meas Offset= (secs).5 p.u. P_meas Offset= (secs) 89

90 .2 p.u. -.2 Q_meas Qref Offset= (secs) 1 p.u. -1 Uabc_B2 A Uabc_B2 B Uabc_B2 C Offset= (secs) 2 p.u. -2 Iabc_B2 A Iabc_B2 B Iabc_B2 C Offset= (secs) Σχήμα 77: Ac τάση, ενεργός και άεργος ισχύς,τριφασική τάση και ρεύμα στον ζυγό Β2 στην στάσιμη κατάσταση 9

91 1 p.u. Iv_d Iref_d p.u Iv_q Iref_q 2 1 Mod_index Offset= (secs) p.u Vref_abc A Vref_abc B Vref_abc C Σχήμα 78: Ρεύματα id-iq, συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους και τριφασική τάση αναφοράς του αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση 1 p. u..5 Uf_meas p. u Uf_abc A Uf_abc B Uf_abc C p. u Iv_abc A Iv_abc B Iv_abc C p. u. 1-1 Uv_abc A Uv_abc B Uv_abc C Offset= (secs) Σχήμα 79: Τάση στον ζυγό φίλτρων, τριφασικό ρεύμα και τριφασική τάση στον αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση 91

92 p.u Udc mean Offset= (secs) Σχήμα 8: Μέση τιμή της διαφοράς των τάσεων των 2 πόλων Προσομοιώνεται η εκκίνηση του συστήματος και η στάσιμη κατάσταση του για 3s. Η στρατηγική που ακολουθείται είναι ο έλεγχος της dc τάσης και της άεργου ισχύος στον αντιστροφέα, και ο έλεγχος της ενεργού και άεργου ισχύος στον ανορθωτή. Αρχικά ενεργοποιείται ο έλεγχος της dc τάσης και της άεργου ισχύος με αναφορές στο 1pu και -.45 pu αντίστοιχα. Στην συνέχεια στο.3s ενεργοποιείται ο έλεγχος της ενεργού ισχύος στο PCC του υποσταθμού 1(ανορθωτή) και ως αργή ράμπα αναφοράς η ισχύς αναφοράς φτάνει στο 1.1pu (55MW) στο 1.7s. Η στάσιμη κατάσταση επιτυγχάνεται περίπου στο 1.3s με την dc τάση να είναι το μέγεθος που έχει το μεγαλύτερο χρόνο αποκατάστασης μετά το 1.1s χρονική στιγμή όπου η ισχύς του συστήματος σταθεροποιείται. Οι κυματομορφές των ρευμάτων ελέγχου για την παραγωγή της τάσης αναφοράς των μετατροπέων, i d και i q, είναι όμοιες ποιοτικά με τις αντίστοιχες της ενεργού και άεργου ισχύος που μετρούνται στα PCC, καθώς η ενεργός και άεργος ισχύς χρησιμοποιούνται ως είσοδοι στους ελεγκτές ενεργού και άεργου ισχύος για την παραγωγή των ρευμάτων αναφοράς i d και i q. Οι τιμές των ενεργών και άεργων ισχύων στα PCC, θετικές ή αρνητικές, δείχνουν την ροή ισχύος. Η ροή ισχύος στο σύστημα από το ac σύστημα 1 προς το 2. Οι ac τάσεις και ρεύματα στα PCC έχουν πολύ μικρά μεταβατικά φαινόμενα στην εκκίνηση, γιατί τα ac συστήματα μοντελοποιήθηκαν έτσι ώστε να έχουν μεγάλη δυνατότητα απόσβεσης (damped ac systems). Τα ac ρεύματα έχουν μικρές διακυμάνσεις κατά την εκκίνηση του συστήματος που οφείλονται στις αποκλίσεις των ισχύων στο PCC από τις αναφορές ισχύος κατά την εκκίνηση. Με την βοήθεια των εργάλειων των time-scopes υπολογίζονται διάφορα μεγέθη όπως rms τιμές,μέσες τιμές,μέγιστα κ.α. στην στάσιμη κατάσταση. Στους ζυγούς γίνεται μέτρηση των φασικών τάσεων (U_meas) και η μετατροπή τους σε pu όπως δείχνουν οι σχέσεις

93 Επίσης τα ρεύματα μετατρέπονται σε pu σύμφωνα με τις σχέσεις 4.6. Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους του ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση είναι.828 και στον αντιστροφέα.898 ορισμένοι ώστε να δημουργούν τις επιθυμητές τάσεις. Ο ορισμός τους γίνεται στο μπλοκ Reference Voltage Conditioning όπως αναλύθηκε, λαμβάνοντας υπόψη την επιθυμητή dc τάση για την παραγωγή του κατάλληλου πλάτους των τάσεων αναφοράς της PWM μετατροπέων. Από τις γραφικές παραστάσεις φαίνεται ότι οι τάσεις στους ζυγούς φίλτρου οι οποίες είναι οι τάσεις των δευτερευόντων των ΜΣ είναι μεγαλύτερες από 1pu (2kV),το οποίο οφείλεται στους προσαρμοσμένους λόγους μετασχηματισμού. Συγκεκριμένα, αγνοώντας τις πτώσεις στις σύνθετες αντίστασεις των τυλιγμάτων, για τον υποσταθμό 1 η rms πολική τάση του πρωτεύοντος του ΜΣ είναι.952pu*4kv εξαιτίας της πτώσης τάσης στην σύνθετη αντίσταση του ac συστήματος. Ο λόγος μετασχηματισμού του ΜΣ είναι 4*.95/2=1.81. Έτσι η τάση δευτερεύοντος προκύπτει.952pu*4kv/1.81=21.387kv ή αλλιώς /2=1.52pu. Η μέτρηση στο Simulink είναι 1.53pu=1.53*2=21.6kV. Για τον υποσταθμό 2 η επιβαλλόμενη τάση στον ζυγό φίλτρων ή στο θεωρητικά 2 ον του ΜΣ από τον αντιστροφέα είναι 1.84*2kV, γιατί η ροή ισχύος είναι από είναι από το ac σύστημα 1 προς το 2. Ο λόγος μετασχηματισμού του ΜΣ είναι 4*.95/2=1.9. Έτσι η τάση πρωτεύοντος προκύπτει 1.84*2*1.9=411.92kV ή αλλιώς /4=1.298 pu. Η μέτρηση στο Simulink είναι 1.16pu =1.16*4=46.4kV. Οι αποκλίσεις των υπολογισμών από τις μετρήσεις οφείλονται στο γεγονός ότι η τάση εξόδου των ΜΣ μεταβάλλεται ανάλογα με το φορτίο. Έτσι η τάξη εξόδου του ΜΣ του ανορθωτή είναι μεγαλύτερη γιατί το φορτίο του είναι χωρητικό (ac φίλτρα), ενώ η τάση εξόδου του ΜΣ του ανορθωτή είναι μικρότερη γιατί το φορτίο του είναι επαγωγικό (ac σύστημα 2) [51]. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ΜΣ διαφορετικών ονομαστικών τάσεων αλλά με τον ίδιο λόγο μετασχηματισμού και σύνθετη αντίσταση τυλιγμάτων ώστε να λειτουργούν στις ονομαστικές τάσεις τους. 4.3 Μείωση αρμονικών στην ac πλευρά Ο ρόλος των AC φίλτρων είναι να φιλτράρουν τις υψηλής τάξης αρμονικές (χαρακτηριστικές αρμονικές) που δημιουργεί ο μετατροπέας λόγω της PWM. Παρακάτω γίνεται ανάλυση των 93

94 αρμονικών της φασικής τάσης Α του μετατροπέα U v και της τάσης U f του ζυγού φίλτρων και για τους δύο μετατροπείς με το εργαλείο FFT Analysis του powergui. Εφόσον ο VSC δρα ως πηγή αρμονικών κάποιες αρμονικές τάσης ενδέχεται να εμφανιστούν στο PCC, η μεταφορά των οποίων σε κάθε συχνότητα είναι ανάλογη του λόγου της σύνθετης αντίστασης του συστήματος προς την σύνθετη αντίσταση του VSC. Η τελευταία περιλαμβάνει την σύνθετη αντίσταση του ΜΣ, τις φασικές επαγωγικές αντιδράσεις και τα φίλτρα. Η σύνθετη αντίσταση του συστήματος ενδέχεται σε κάποιες συχνότητες να έχει χωρητική συμπεριφορά εξαιτίας των χωρητικοτήτων που υπάρχουν στο σύστημα και να δημιουργούνται συντονισμοί σειράς (series resonances). Έτσι καλό είναι να μελετηθεί η συμπεριφορά της σύνθετης αντίστασης του ac συστήματος στις διάφορες συχνότητες [35]. Σχήμα 81: Αρμονικές φασικής τάσης VSC ανορθωτή Η διαμορφωμένη φασική τάση στην είσοδο του ανορθωτή έχει ολική αρμονική παραμόρφωση 72.81% και υψηλής τάξης κύριες αρμονικές που είναι ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας μετάβασης και πλευρικές αυτών, όπως η 27 η (53.51% πλάτος συγκρινόμενο με την θεμελιώδη συνιστώσα), 55 η (16.96%),81 η (6.82%) κ.ο.κ 94

95 Σχήμα 82: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC ανορθωτή Η φασική τάση στον ζυγό φίλτρων του ανορθωτή έχει ολική αρμονική παραμόρφωση και 7 η αρμονική με πλάτος 9.51% του πλάτους της θεμελιώδους συνιστώσας και πλευρικές ζώνες. Οι υψηλής τάξης αρμονικές (μεγαλύτερες από 27*5=135Hz) σχεδόν εξαλείφθηκαν από τα 2 φίλτρα. Σχήμα 83: Αρμονικές φασικής τάσης VSC αντιστροφέα 95

96 Σχήμα 84: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα Η φασική τάση στον ζυγό φίλτρων του αντιστροφέα έχεις την 7 η ως κύρια αρμονική με πλάτος 6.46%. Οι χαμηλής τάξης αρμονικές με κύρια την 7 η που παρουσιάζονται στην ac τάση του ζυγού φίλτρων, είναι μη χαρακτηριστικές αρμονικές (non-characteristic harmonics). Προέρχονται από ατέλειες του συστήματος όπως όχι απόλυτες συμμετρίες στις αντιδράσεις των ΜΣ, στις τάσεις κ.α. Το πλάτος των μη χαρακτηριστικών αρμονικών είναι συνήθως μικρό συγκρινόμενο με αυτό των χαρακτηριστικών αρμονικών και επηρεάζουν ελάχιστα την ολική αρμονική παραμόρφωση σε σχέση με τις χαρακτηριστικές. Παρ όλα αυτά, αν το ac δίκτυο έχει μεγάλη σύνθετη αντίσταση βραχυκύκλωσης (έχουν και τα 2 δίκτυα του μοντέλου), ενδέχεται να συμβεί ισχυρή παραμόρφωση εξαιτίας των χαμηλής τάξης 2-7 μη χαρακτηριστικών αρμονικών στον ac δίαυλο που δημιουργούνται λόγω του παράλληλου συντονισμού μεταξύ του ac δικτύου και των φίλτρων [36]. Οι THD των τάσεων 1.26% και 7.59% στους ζυγούς φίλτρων με συντελεστή ποιότητας των φίλτρων Q=15 υπερβαίνουν τα επιτρεπτά όρια που τυπικά είναι 1-4% [36][35][37]. Επιπλέον η μείωση ή εξάλειψη των αρμονικών είναι σημαντική, γιατί υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ του ac κυκλώματος και του dc κυκλώματος του συστήματος. Η ορθή συνιστώσα (positive sequence) μιας αρμονικής στην ac πλευρά μεταφέρει στην dc πλευρά μια μπάντα ω n -ω 1 ενώ η αντίστροφη συνιστώσα (negative sequence) της αρμονικής μεταφέρει μια μπάντα ω n +ω 1 στην dc πλευρά. Άρα μια ασύμμετρη αρμονική στην ac πλευρά θα μεταφέρει δύο «μπάντες» αρμονικών στην dc πλευρά. Μια συμμετρική αρμονική μεταφέρει μόνο μια μπάντα στην dc πλευρά. Με παρόμοιο τρόπο μεταφέρονται οι αρμονικές από την dc στην ac πλευρά. Αυτή η αλληλεπίδραση φαίνεται στο παρακάτω στο σχήμα οπου με (+) συμβολίζονται οι ορθές συνιστώσες και με (-) οι αντίστροφες συνιστώσες [39]. 96

97 Σχήμα 85: Αλληλεπίδραση αρμονικών μεταξύ dc και ac πλευράς Για αυτούς τους λόγους εξετάζεται η επίδραση του συντελεστή ποιότητας των φίλτρων στην THD της ac τάσης στον ζυγό των φίλτρων διατηρώντας την άεργο ισχύ τους και τη τάση τους σταθερές. Ο σκοπός είναι η THD της ac τάσης να βρίσκεται εντός των ορίων. Τα φίλτρα τύπου C όπως εξηγήθηκε μπορούν να φιλτράρουν και χαμηλής τάξης αρμονικές. Σχήμα 86: AC φίλτρο τύπου C Ο κλάδος L 2 C 2 είναι συντονισµένος στην θεµελιώδη συχνότητα. Q F η άεργος ισχύς του φίλτρου για την θεµελιώδη συνιστώσα ω 1, U η τάση του φίλτρου, Q ο συντελεστής ποιότητας και ω r η συχνότητα συντονισµού. Οι παράµετροι του φίλτρου δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις

98 Όπου k ο λόγος του αρμονικού ρεύματος συντονισμού στο σύστημα προς το αρμονικό ρεύμα στο φίλτρο. Μια στρατηγική ελέγχου του φίλτρου τύπου C, που περιγράφεται εδώ [38], είναι η αύξηση της αντίστασης του φίλτρου για να εξασφαλιστεί η ροή του μεγαλύτερου μέρους του αρμονικού ρεύματος μέσω του φίλτρου. Από την άλλη η αύξηση της R T μειώνει τα υψηλής τάξης αρμονικά ρεύματα που διαρρέουν το φίλτρο. Συνεπώς πρέπει να βρεθεί μια συμβιβαστική λύση για την μικρότερη δυνατή παραμόρφωση. Ο συντελεστής Q είναι ανάλογος της αντίστασης του φίλτρου όπως φαίνεται από τις σχέσεις 4.7. ΤΗD U f1 (%) Πλάτος 7 ης αρµονικής της U f1 (%) THD U f2 (%) Πλάτος 7 ης αρµονικής της U f2 (%) Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q= Q=

99 Σχήμα 87: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC ανορθωτή για Q=3.5 Σχήμα 88: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα για Q=3.5 Είναι προφανές ότι για Q<4 τα φίλτρα τύπου C είναι πιο αποτελεσματικά στην εξομάλυνση της τάσης στους ζυγούς φίλτρων. Μπορεί ο μεγάλος συντελεστής Q να αυξάνει το εύρος των αρμονικών που διαρρέουν το φίλτρο, όμως μεγάλος συντελεστής Q σημαίνει 99

100 μεγαλύτερη αντίσταση R και κατά συνέπεια αύξηση του πλάτους των κύριων αρμονικών και μεγαλύτερη THD. Γενικά η THD εξαρτάται από την κατανομή και το πλάτος των αρμονικών όπως ορίζεται από την παρακάτω σχέση 4.9. Και η ικανότητα των φίλτρων από την χαρακτηριστική της σύνθετης αντίδρασης τους με την συχνότητα. Για όλες τις τιμές του Q οι υψηλής τάξεις αρμονικές (μεγαλύτερες της 27 ης ) φιλτράρονται ικανοποιητικά, ενώ για τις χαμηλής τάξης αρμονικές τα φίλτρα είναι πιο αποτελεσματικά για Q<4. Τελικά επιλέγεται Q=3.5 για το μοντέλο. Παρ όλα αυτά η THD της ac τάσης παραμένει σε υψηλό επίπεδο. Ένας τρόπος να μειωθεί θα ήταν η προσθήκη επιπλέον φίλτρων για την εξάλειψη των χαμηλής τάξης αρμονικών, όμως αυτή η λύση αρχικα απορρίπτεται γιατί το VSC HVDC μοντελοποιείται μόνο με τα υψηπερατά φίλτρα. Επίσης οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις όπως αναφέρθηκε στην θεωρία επηρεάζουν σημαντικά το αρμονικό περιεχόμενο της ac πλευράς. Στην βιβλιογραφία αναφέρονται σαν τυπικές τιμές τους.1-.2 p.u [18][4]. Στο μοντέλο οι τιμές τους διατηρούνται.25 p.u. γιατί στο διάστημα.1-.2pu η THD αυξάνεται ανεπίτρεπτα στην ac πλευρά του συστήματος συνολικά. Αυξάνοντας την συχνότητα μετάβασης της PWM το αρμονικό περιεχόμενο του ac συστήματος μετατοπίζεται σε υψηλότερες συχνότητες ενώ παράλληλα αυξάνονται οι απώλειες μετάβασης των IGBT [42][44]. Μεταβάλλοντας την αυτεπαγωγή διαρροής (leakage reactance) των τυλιγμάτων ΜΣ είναι δυνατός ο έλεγχος των αρμονικών[9], μια πρακτική που ακολουθείται στους CSC όπου δεν υπάρχουν φασικές επαγωγικές αντιδράσεις. Αύξηση της αυτεπαγωγής διαρροής των ΜΣ θα είχε σαν αποτέλεσμα αύξηση της πτώσης τάσης στα τυλίγματα του ΜΣ και των απωλειών σκέδασης(stray losses) [41]. Τυπικές τιμές των αυτεπαγωγών διαρροής,πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, στους ΜΣ VSC είναι.1-.2pu. Στο μοντέλο οι τιμές τους είναι.15*5/6=.125pu ανηγμένο στην βάση ισχύος του συστήματος (5MVA) [43]. Αυξάνονται οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις από.25pu σε.28pu και η συχνότητα μετάβασης PWM στα 33*5=165Hz με ανάλογη προσαρμογή των φίλτρων, με αποτελέσματα οι THD των ac τάσεων στους ζυγούς φίλτρων να μειώνονται κατά 5% και να παρουσιάζεται σημαντική εξομάλυνση των ac ρευμάτων στους ζυγούς των μετατροπέων. Τα ac ρεύματα και οι ac τάσεις των πρωτευόντων των ΜΣ έχουν THD της τάξης του.4-.7% προσεγγίζοντας τα ιδανικά ημίτονα. Παρατηρείται επίσης μετατόπιση της κύριας αρμονικής των τάσεων στους ζυγούς φίλτρων στα 325Hz. 1

101 Σχήμα 89: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC ανορθωτή για x=.28pu και fs=165hz Σχήμα 9: Αρμονικές φασικής τάσης ζυγού φίλτρων του VSC αντιστροφέα για x=.28pu και fs=165hz 11

102 Σχήμα 91: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό του VSC αντιστροφέα για x=.28pu και fs=165hz Σε αυτό το σημείο η THD των ac τάσεων είναι εντός των γενικών ορίων,όμως οι χαμηλής τάξης αρμονικές,ιδιαίτερα στα 325Hz, παραμένουν υψηλές και το ac ρεύμα στους μετατροπείς παρουσιάζει παραμόρφωση. Το μόνο στοιχείο που μπορεί να καταστείλει τις χαμηλής τάξης αρμονικές είναι οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις [46]. Όμως κατάλληλη αύξηση τους ( μεγαλύτερη από.6pu) για την καταστολή των χαμηλής τάξης αρμονικών καταλήγει σε μείωση του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος λόγω της πτώσης τάσης που προκαλείται εξαιτίας τους. Σε αυτήν την περίπτωση για να επανέλθει το επίπεδο της μεταφερόμενης ισχύος θα πρέπει να αυξήθεί η τάση στα δευτερεύοντα των ΜΣ που σημαίνει μεγαλύτερες απώλειες σιδήρου στους ΜΣ [43]. Τελικά αυξάνονται οι φασικές επαγωγικές αντίδρασης στα.45 pu διατηρώντας τον X/R λόγο τους, με κύριο στόχο την εξομάλυνση του ac ρεύματος στoυς ζυγούς μετατροπέων. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του HVDC Light οι δείκτες ποιότητας της ac τάσης πρέπει να είναι αντίστοιχα THD 2% IHD 1%, όπως σημειώνεται ότι η επιλογή των φίλτρων γίνεται κατά περίπτωση και ανάλογα με τα standards που τίθενται [47]. Έτσι για την καταστολή της αρμονικής στα 325Hz προστίθεται ένα ζωνοπερατό φίλτρο συντονισμένο στα 325Hz σε κάθε υποσταθμό, και διαστασιολογείται με.25mvar έτσι ώστε να μην επηρεάζει την άεργο ισχύ που προσφέρεται από τα φίλτρα και το κόστος που είναι ανάλογο με την ονομαστική ισχύ του να είναι ασήμαντο σε σχέση με το κόστος εγκατάστασης [45]. Οι παράμετροι των ζωνοπερατών φίλτρων είναι.25mvar 22kV 6.5*5Hz Q=5. 12

103 Σχήμα 92: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC ανορθωτή για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz Σχήμα 93: Αρμονικές φασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων του VSC αντιστροφέα για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz 13

104 Σχήμα 94: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό του VSC ανορθωτή για x=.45pu και ζωνοπερατό φίλτρο στα 325Ηz Από τις αναλύσεις των αρμονικών φαίνεται ότι οι ac τάσεις πληρούν τα standards του HVDC Light όσο αφορά την THD και IHD, και το ρεύμα στον ζυγό του μετατροπέα εξομαλύνθηκε σημαντικά. Συνοψίζοντας Τα υψιπερατά ac φίλτρα τύπου C είναι αποτελεσματικά όσο αφορά την εξάλειψη των κύριων αρμονικών που παράγει ο VSC και αποτρέπουν την διάδοση τους στα ac δίκτυα. Φιλτράρουν τις χαμηλής τάξης αρμονικές για Q<4 αλλά όχι επαρκώς. Επίσης έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν μηδενικές απώλειες στην θεμελιώδη συχνότητα. Οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις δρουν ως φίλτρα μειώνοντας τις αρμονικές της τάσης και του ρεύματος σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Η αύξηση της συχνότητας μετάβασης ωθεί τις κύριες αρμονικές που παράγονται από τον μετατροπέα σε υψηλότερες συχνότητες συμβάλλοντας στην μείωση της THD στην ac πλευρά. Για την επίτευξη των standards του HVDC Light όσο αφορά την THD και την IHD της ac τάσης στους ζυγούς φίλτρων χρειάστηκε η προσθήκη ζωνοπερατών φίλτρων συντονισμένων στην κύρια αρμονική χαμηλής τάξης στα 325Hz. Οι ac τάσεις και τα ac ρεύματα στα πρωτεύοντα των ΜΣ, δηλαδή τα μεγέθη των ac δικτύων, προσεγγίζουν τα ιδανικά ημίτονα χωρίς την προσθήκη του επιπλέον φίλτρου. 14

105 4.4 Μείωση της κυμάτωσης της τάσης και του ρεύματος στην dc πλευρά Σύμφωνα με τον κανονισμό IEC η ποιότητα της HVDC τάσης ορίζεται από τον συντελεστή κυμάτωσης (ripple factor), ο οποίος ισούται το μισό της διαφοράς της μέγιστης και ελάχιστης τάσης προς την μέση τιμή της, και πρέπει να είναι μικρότερος από 3%. Σύμφωνα με τον ίδιο κανονισμό ένας ακόμα παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη είναι η πτώση τάσης (voltage drop) που προκαλείται από εκκενώσεις που συμβαίνουν αφού έχει διακοπεί το ρεύμα (nonsustained disruptive discharges), και πρέπει να είναι μικρότερος από 1% [49] [48]. Ο συντελεστής κυμάτωσης είναι ανάλογος του dc ρεύματος. Οι dc πυκνωτές των VSC είναι στοιχεία, όπως εξηγήθηκε, που έχουν ως κύριο σκοπό να προσφέρουν ένα μονοπάτι χαμηλής επαγωγικής αντίδρασης για τα ρεύματα ουράς (turned off currents) του μετατροπέα και να χρησιμεύουν σαν μονάδες αποθηκεύσης για τον έλεγχο της ενεργού ισχύος[14][46]. Οι VSC ως μη γραμμικά φορτία λόγω της PWM παράγουν αρμονικά ρεύματα που ρέουν στην dc πλευρά και έχουν σαν αποτέλεσμα την κυμάτωση στην dc τάση [12]. Το πλάτος της κυμάτωσης εξαρτάται από την τεχνική διαμόρφωσης των βαλβίδων του VSC, από την συχνότητα μετάβασης στην PWM, το μέγεθος των πυκνωτών και από την παράμορφωση και τις διαταράχες από τα ac δίκτυα. Το μέγεθος των dc πυκνωτών μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας μεταβάσης γιατί καθέ φορά που οι βαλβίδες αλλάζουν κατάσταση, το ρεύμα στον dc πυκνωτή αλλάζει κατεύθυνση, με αποτέλεσμα να μειώνει την ενεργό κυμάτωση (effective ripple) [35]. Άρα θεωρητικά ένας μικρός dc πυκνωτής με μικρή χρονική σταθερά τ και γρήγορη απόκριση θεωρείται πιο αποτελεσματικός στα μεταβατικά φαινόμενα και στο ρυθμό μείωσης της κυμάτωσης της dc τάσης [12][4]. Από την άλλη όσο μεγαλύτερος είναι ενας πυκνωτής τόσο μικρότερη είναι η κυμάτωση της dc τάσης και επειδή έχει μικρότερο ρεύμα,θα έχει και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής [18]. Σαν όριο της τ ορίζονται τα 5ms γιατί περαιτέρω μείωση της δεν είναι πρακτική καθώς η σύνδεση δεν θα επηρεάζει τον έλεγχο της ενεργού ισχύος[12][4]. Στον μοντέλο η τ=11μf*2kv/125a=17.6ms οπότε αρχικά η λογική για την μείωση της κυμάτωσης στην στάσιμη κατάσταση θα είναι η μείωση της χωρητικότητας των dc πυκνωτών. Σχήμα 95: dc τάση στον θετικό πόλο στο τερματικό του VSC ανορθωτή για C=11μF και τ=17.6ms 15

106 Η μέτρηση του μέγιστου της τάσης είναι kV, του ελάχιστου kV και της μέσης τιμής της τάσης 27.45kV. Συνεπώς ο συντελεστής κυμάτωσης είναι ( ) / 27.45=1.38%. Η συντελεστής κυμάτωσης της dc τάσης είναι μικρότερος από το όριο του 3%. Βέβαια αυτός ο συντελεστής αντιστοιχεί στο βελτιωμένο σύστημα που προέκυψε από τις ρυθμίσεις στην ac πλευρά και την μείωση της παραμόρφωσης των ac τάσεων και ac ρευμάτων, με αποτέλεσμα η μεταφορά αρμονικών από την ac στην dc πλευρά να είναι μικρότερη όπως εξηγήθηκε. Να σημειωθεί ότι η μέτρηση της dc τάσης στο τερματικό του ανορθωτή είναι μεγαλύτερη από 2kV γιατί η dc τάση ελέγχεται στο τερματικό του αντιστροφέα και η ροή ισχύος είναι από τον υποσταθμό 1 προς τον 2. Με την ίδια διαδικασία εξετάζεται η επίδραση διαφορετικών dc πυκνωτών με κύριο σκοπό την περαιτέρω μείωση της κυμάτωσης της dc τάσης, αλλά και την βελτίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του συστήματος, την μείωση του κόστους και την γενικότερη συμπεριφορά του συστήματος. Η εξέταση γίνεται στην dc τάση στο τερματικό του ανορθωτή, όμως σε κάθε περίπτωση γίνεται αντικατάσταση και των 4 dc πυκνωτών της dc πλευράς γιατί η συμμετρία είναι πολύ σημαντική στο σύστημα (ισορροπία dc τάσης στους 2 πόλους). C(µF) Mέγιστη/Ελάχιστη τιµή dc τάσης(kv) Μέση τιµή dc τάσης(kv) Συντελεστής κυµάτωσης(%) τ=4ms / τ=32ms / τ=26 ms / τ=22 ms / τ=17.6 ms / τ=12 ms / τ=9 ms / Πίνακας 4.4: Κυμάτωση dc τάσης ανορθωτή στον θετικό πό συναρτήσει της χρονικής σταθεράς του dc πυκνωτή Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων φαίνεται ότι η αύξηση της χωρητικότητας με την αντίστοιχη αύξηση της χρονικής σταθεράς τ έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της κυμάτωσης της dc τάσης. Στις χαμηλές τιμές της τ παρατηρείται, εκτός από αύξηση της κυμάτωσης της dc τάσης, αύξηση της παραμόρφωσης των ac ρευμάτων που οφείλονται σε μεγάλο αρμονικό περιεχόμενο και τα οποία καταπονούν τις βαλβίδες του μετατροπέα. Στις υψηλές τιμές της τ παρατηρείται αξιοσημείωτη μείωση της κυμάτωσης και θεωρητικά αν αυξηθεί η χωρητικότητα στο άπειρο οι dc πυκνωτές ως χαμηλοπερατά φίλτρα μηδενίζουν την κυμάτωση αλλά υπερυψώνουν την dc τάση επειδή από την μεριά των ac πηγών οι μετατροπείς φαίνονται ως χωρητικά φορτία [43]. Χαρακτηριστικά, για χωρητικότητες πυκνωτών 1 F στο μοντέλο, η dc τάση γίνεται 89kV, η ισχύς στον ζυγό Β1 είναι pu ενεργός και 1.1pu άεργος, ενώ η κυμάτωση προφανώς μηδενίζεται. Λαμβάνοντας υπόψη ότι για όλες τις τιμές του πίνακα ο συντελεστής κυμάτωσης είναι μικρότερος του ορίου 3% και ότι η σχεδίαση των dc πυκνωτών βασίζεται και στην 16

107 γρήγορη απόκριση τους σε περιπτώση διαταραχών π.χ. σφάλματα με στόχο την ταχύτερη δυνατή αποκατάσταση του συστήματος, η χωρητικότητα τους διατηρείται ίδια. Σχήμα 96: Κυμάτωση του dc ρεύματος στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=4mH με αντίσταση.15ω σε σειρά. Υπολογίζεται ο συντελεστής κυμάτωσης με την ίδια διαδικασία και προκύπτει ( )kA/1.247kA=2.97%. Αν θεωρηθεί ως όριο το 3% όπως στην κυμάτωση της τάσης, τότε η κυμάτωση στο dc ρεύμα είναι οριακά επιτρεπτή. Στην συνέχεια θα εξεταστεί η επίδραση της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης στην κυμάτωση του dc ρεύματος, αλλά και της dc τάσης, μεταβάλλοντας την αυτεπαγωγή και διατηρώντας σταθερή την αντίσταση.επίσης οι dc πυκνωτές είναι σταθεροί στα 11μF. Σε κάθε περίπτωση μεταβάλλονται και οι 4 αυτεπαγωγές της dc πλευράς ώστε να διατηρηθεί η συμμετρία στο κύκλωμα. Μέγιστη/Ελάχιστη τιµή dc ρεύµατος(ka) Μέση τιµή dc ρεύµατος(ka) Συντελεστής κυµάτωσης(%) Dc ρεύµατος Συντελεστής κυµάτωσης(%) Dc τάσης L=2mH 1.292/ L=3mH 1.285/ L=4mH 1.275/ L=6mH 1.266/ L=9mH 1.266/ L=12mH 1.256/ L=15mH 1.259/ Πίνακας 4.5: Κυμάτωση dc ρεύματος συναρτήσει της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης Όπως φαίνεται από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στις χαμηλές τιμές οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης δεν εξομαλύνουν ικανοποιητικά το dc ρεύμα. Επιδρούν τόσο στην κυμάτωση της τάσης όσο και του ρεύματος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι αυτεπαγωγές 17

108 εξομάλυνσης μειώνουν το μέγιστο ρεύμα σφαλμάτων που ρέει από την dc πλευρά προς στους μετατροπείς [5] και την καλύτερη απόδοση στην μείωση της κυμάτωσης του dc ρεύματος, επιλέγεται η L=12mH. Περαιτέρω αύξηση των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των μεταβατικών φαινομένων στην ac πλευρά και την πτώση του επιπέδου της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος όπως διαπιστώνεται από τις προσομοιώσεις. Σχήμα 97: 1.28% κυμάτωση του dc ρεύματος στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά. Σχήμα 98: 1.25% κυμάτωση της dc τάσης του VSC ανορθωτή στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά. 18

109 Σχήμα 99: 1.27% κυμάτωση της dc τάσης του VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο για αυτεπαγωγή εξομάλυνσης L=12mH με αντίσταση.15ω σε σειρά. Από τις μέσες τιμές των μετρήσεων υπολογίζονται οι ισχείς στον θετικό πόλο στην dc πλευρά Ισχύς αποστολής στο τερματικό του ανορθωτή: P dc1 =27.35*1.249= MW Ισχύς παραλαβής στο τερματικό του αντιστροφέα: P dc2 =2.149*1.249= MW Ισχύς απωλειών στην γραμμή: P loss = P dc1 - P dc2 =8.6MW Η ισχύς απωλειών υπολογίζεται επιπλέον από την συνολική αντίσταση της γραμμής που αποτελείται από την αντίσταση του καλωδίου και τις αντιστάσεις των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης, : P loss = * (2* *.1668)=8.61MW Επειδή ο στόχος είναι η ισχύς παραλαβής στο τερματικό του αντιστροφέα να είναι ίση με την μονάδα βάσης της ισχύος, δηλαδή 5ΜW, μειώνονται οι αντιστάσεις των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης στα.5 Ω. Έτσι οι μετρήσεις που προκύπτουν φαίνονται στον πίνακα Μέση τιµή dc τάσης στον ανορθωτή(kv) / 1.54 /κυµάτωση(%) Μέση τιµή dc τάσης στον αντιστροφέα(kv) / 2.39 / 1.7 κυµάτωση(%) Μέση τιµή dc ρεύµατος 1.25 / 2.8 (kα) /κυµάτωση(%) Ισχύς αποστολής(mw) Ισχύς παραλαβής(mw) Απώλειες(MW) Πίνακας 4.6: Κυμάτωση dc τάσεων, dc ρεύματος και ισχείς στον θετικό πόλο 19

110 Η μείωση της αντίστασης των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης κατά.1ω έφερε το επιθυμητό αποτέλεσμα αυξάνοντας την μέση τιμή του dc ρεύματος και μειώσε τις απώλειες στην γραμμή μεταφοράς. Η αύξηση της κυμάτωσης τόσο στο dc ρεύμα όσο και στις dc τάσεις είναι μικρή κάτω από το όριο του 3%. Αν και οι πυκνωτές dc πυκνωτές και οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης φιλτράρουν τις αρμονικές τις αρμονικές στην dc πλευρά, θεωρείται απαραίτητη η ύπαρξη dc φίλτρων γιατί οι VSC παράγουν αρμονικές της μορφής 3κ στην dc τάση, όπου κ ακέραιος. Αφαιρώντας τα dc φίλτρα από το μοντέλο φαίνεται παρακάτω η ύπαρξη μια σχετικά μεγάλης 3 ης αρμονικής στην dc τάση του αντιστροφέα. Σχήμα 1: Αρμονικές dc τάσης VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο χωρίς dc φίλτρο Η 3 η αρμονική στην dc τάση χωρίς τα dc φίλτρα έχει πλάτος περίπου.24*2=4.8kv, δηλαδή 2.4% του πλάτους της dc συνιστώσας προκαλώντας κυμάτωση 5% στην dc τάση. Για αυτό τον λόγο το RLC φίλτρο συντονισμένο στην 3 η αρμονική πρέπει να υπάρχει στο σύστημα. Στο μοντέλο τα στοιχεία του dc φίλτρου είναι R=.14737Ω L= 46.98mH C=12μF έτσι ώστε η συχνότητα συντονισμού να είναι 1 1 f = o 15Hz 3 6 2π LC = 2 π * 46.98*1 * 2*12*1 =. Η χωρητικότητα του φίλτρου στον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού του φίλτρου θεωρήθηκε ως το άθροισμα των χωρητικοτήτων των δύο πυκνωτών, θετικού και αρνητικού πόλου, καθώς το αρμονικό ρεύμα που διαρρέει τον RL κλάδο είναι το άθροισμα των αρμονικών ρευμάτων από τους πόλους. 11

111 Σχήμα 11: Αρμονικές dc τάσης του VSC αντιστροφέα στον θετικό πόλο με dc φίλτρο Όπως φαίνεται από την ανάλυση Fourier της dc τάσης το dc φίλτρο εξάλειψε την 3 η αρμονική, η οποία έχει πλάτος περίπου.65% του πλάτους της dc συνιστώσας και είναι βασική αιτία της κυμάτωσης της dc τάσης. Οι υπόλοιπες αρμονικές είναι τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας μετάβασης (33 η,66 η, 99 η ) και οι αρμονικές πλευρικών ζωνών, οι οποίες είναι αμελητέες. Συνοψίζοντας Οι dc πυκνωτές παίζουν καθοριστικό ρόλο στην μείωση της κυμάτωσης της dc τάσης και την μειώνουν αναμφισβήτητα όσο αυξάνεται η χωρητικότητα τους. Όμως η διαστασιολόγηση τους πρέπει να λαμβάνει υπόψη ότι πρέπει να έχουν γρήγορη απόκριση σε μεταβατικά φαινόμενα π.χ. σφάλματα, δηλαδή να έχουν μικρή χρονική σταθερά τ. Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης λειτουργούν ως υψηπερατά φίλτρα καταστέλλοντας τις αρμονικές του dc ρεύματος και επηρεάζουν την κυμάτωση τόσο του dc ρεύματος όσο και της dc τάσης. Η μεταβολή τους πέρα από κάποια όρια επηρεάζει επιπλέον τις ac τάσεις και τα ac ρεύματα. Η αντίσταση τους μπορεί να προσαρμοστεί προσεκτικά ώστε να μειωθούν οι απώλειες ισχύος στην dc γραμμή χωρίς να αυξάνεται σημαντικά η κυμάτωση του dc ρεύματος και της dc τάσης. Τα RLC φίλτρα στην dc πλευρά θεωρούνται απαραίτητα λόγω της παρουσίας σχετικά μεγάλης 3 ης αρμονικής στην dc τάση που προέρχεται από τους VSC και αυξάνει την κυμάτωση της. 111

112 4.5 Βελτιστοποίηση των κερδών των ελεγκτών Κατά την βέλτιστη ρύθμιση των PI ελεγκτών γενικά αγνοούνται οι μη γραμμικότητες και η ρύθμιση γίνεται ακολουθώντας τα ίδια κρίτηρια για τους ηλεκτρικούς κινητήρες (electric drives). Ο ακολουθιακός έλεγχος (cascade control) απαιτεί γρήγορη απόκριση για τον εσωτερικό βρόγχο και ευστάθεια για τον εξωτερικό βρόγχο. Έτσι ο εσωτερικός ελεγκτής ρεύματος ρυθμίζεται σύμφωνα με την μέθοδο modulus optimum εξαιτίας της γρήγορης απόκρισης και απλότητας της, και ο ελεγκτής dc τάσης ρυθμίζεται σύμφωνα με την μέθοδο symmetrical optimum με σκοπό την βέλτιστη δυναμική συμπεριφορά [52] [53]. Modulus Optimum: Όπως εξηγήθηκε στην θεωρία το σχήμα ελέγχου του εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος είναι το παρακάτω. Σχήμα 12: Διάγραμμα εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος για την μέθοδο modulus optimum Όταν το σύστημα έχει μια κυρίαρχη χρονική σταθερά και μια άλλη μικρότερη χρονική σταθερά, η μέθοδος modulus optimum επιτυγχάνεται απαλοίφοντας την μεγάλη χρονική σταθερά της συνάρτησης μεταφοράς, ενώ το κέρδος της συνάρτησης ανοιχτού βρόγχου θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο της μονάδας για όσες περισσότερες υψηλές συχνότητες είναι δυνατόν [52][53][54]. Η μέθοδος modulus optimum έχει στόχο την εύρεση ελεγκτή τέτοιου ώστε η απόκριση συχνότητας του κλειστού συστήματος να έχει μια συγκεκριμένη μορφή. Πιο αναλυτικά, η μέθοδος αυτή απαιτεί το διάγραμμα Bode του μέτρου του κλειστού συστήματος να είναι όσο τον δυνατόν πιο επίπεδο και κοντά στη μονάδα, ενώ η συχνότητα αποκοπής να είναι όσο τον δυνατόν μεγαλύτερη, με σκοπό την επίτευξη υψηλού εύρους ζώνης. Ένας τέτοιος ελεγκτής εγγυάται την γρήγορη και χωρίς ταλαντώσεις απόκριση της εξόδου [55] [56]. Η συνάρτηση ανοιχτού βρόγχου είναι G O = K p, pu 1+ Ti s T s 1+ T s R 1+ sτ i a pu pu (Σχέση 4.1) Το κριτήριο modulus optimum ικανοποιείται για Ti = τ pu τ pur K p, pu = 2Ta pu (Σχέσεις 4.11) Η μέση τιμή της καθυστέρησης T α (time delay) είναι το μισό της περιόδου μετάβασης Έτσι θα είναι σύμφωνα με τις παραμέτρους του μοντέλου: 112

113 1 Ta = =.33s 2*165 Lpu.45 Ti = τ pu = = =.3185 R ω.45* 2 π *5 pu.3185*.45 K p = = *.33 K p Κ i = = T i Οι συνάρτησεις ανοιχτού και κλειστού βρόγχου για τον βρόγχο ελέγχου ρεύματος που προκύπτουν είναι αντίστοιχα G O = = 2 (1 ) 1.836*1 6.6* Ta s + Ta s s + s 1 1 G= = Ta s + 2Ta s *1 s + 6.6*1 s Bode Diagram 1 Magnitude (db) Phase (deg) Frequency (rad/s) Σχήμα 13: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum 113

114 1 Bode Diagram -1-2 System: f Frequency (rad/s): 2.33e+3 Magnitude (db): -3.1 Magnitude (db) Phase (deg) Frequency (rad/s) Σχήμα 14: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς κλειστού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum 1 Nyquist Diagram Imaginary Axis 2-2 System: f Real: Imag:.345 Frequency (rad/s): -7.6e Real Axis Σχήμα 15 : Διάγραμμα Νyquist συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Φαίνεται ότι το διάγραμμα Nyquist δεν περικλείει το σημείο -1, επομένως η συνάρτηση ανοιχτού βρόγχου είναι ευσταθής και έπεται ότι και η συνάρτηση κλειστού βρόγχου θα είναι ευσταθής.το σημείο τομής του διαγράμματος με το αρνητικό τμήμα του πραγματικού άξονα είναι περίπου (-.8,) απ όπου προκύπτει ότι το περιθώριο κέρδους(μέτρο του βαθμού ευστάθειας) είναι 1/.8=12.5 [3]. 114

115 Nyquist Diagram 1 2 db db -2 db -4 db 4 db.8-6 db.6 6 db.4 1 db -1 db.2 Imaginary Axis db -2 db Real Axis Σχήμα 16: Διάγραμμα Νyquist συνάρτησης μεταφοράς κλειστού βρόγχου ελέγχου ρεύματος σχεδιασμένη με την μέθοδο modulus optimum Επειδή χρησιμοποιούνται προσαρμοσμένοι λόγοι μετασχηματισμού και η τάση στους ζυγούς φίλτρων είναι διάφορη του 1pu,για τον ακριβή υπολογισμό της τάσης των μετατροπέων και κατά συνέπεια του σήματος ελέγχου για την γεννήτρια PWM,τροποποιείται το μοντέλο έτσι ώστε το Inner Current Loop να έχει είσοδο την pu τάση του ζυγού φίλτρων αντί για την pu τάση στο PCC. Εφαρμόζοντας τα κέρδη k p =2.365 k i =7.425 με συντελεστή k f =.45pu(συντελεστής αντιστάθμισης ρεύματος στο dq σ.σ. ίσος με την συνολική αυτεπαγωγή μεταξύ ζυγού φίλτρου και VSC) εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος στο μοντέλο προκύπτουν οι γραφικές παραστάσεις 1 p.u..5 Iv_d Iref_d Offset= (secs) 115

116 -.5 p.u. Iv_q Iref_q Offset= (secs).5 p.u. Iv_d Iref_d Offset= (secs) -.5 Iv_q Iref_q p.u Offset= (secs) Σχήμα 17: Συνιστώσες ρεύματος dq του VSC ανορθωτή και αντιστροφέα με τα βέλτιστα κέρδη Συγκρίνοντας τις κυματορφές των ρευμάτων με αυτές της παραγράφου 2 (σχήματα 74 και 78) παρατηρείται γρηγορότερη απόκριση των πραγματικών ρευμάτων σε σχέση με τις μεταβολές των αναφορών τους. Symmetrical optimum : Το σχήμα ελέγχου του ελεγκτή dc τάσης φαίνεται στο σχήμα

117 Σχήμα 18: Διάγραμμα ελεγκτή dc τάσης για την εφαρμογή της μεθόδου symmetrical optimum H συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή dc τάσης έχει 2 πόλους στο οπότε η μέθοδος modulus optimum δεν αλλάζει σημαντικά την κατάσταση. Εφαρμόζεται η μέθοδος symmetrical optimum με την οποία προωθείται η απόκριση του συστήματος όσο πιο κοντά γίνεται στις χαμηλές συχνότητες. Η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι μεγιστοποιεί το περιθώριο φάσης (phase margin). Καθώς αυξάνεται το περιθώριο φάσης για δοσμένη συχνότητα, το σύστημα μπορεί να ανεχθεί περισσότερες καθυστερήσεις, το οποίο είναι σημαντικό για συστήματα που έχουν καθυστερήσεις. Η μέθοδος symmetrical optimum βελτιστοποιεί την δυναμική συμπεριφορά του συστήματος και έχει καλή απόρριψη διαταραχών [52][53]. Η συνάρτηση ανοιχτού βρόγχου αγνοώντας τον όρο προσωτροφοδότησης και την 1+ Tiv s K 1 διαταραχή είναι Go = K pu (Σχέση 4.12) T s 1+ T s T s iv eq C Όπου T eq =2*T α =.66s είναι η ισοδύναμη χρονική σταθερά από την προσέγγιση 1 vdpu πρώτης τάξης του βρόγχου ελέγχου ρεύματος, TC = K =. ωc V Τα κριτήρια 4.13 για την ρύθμιση των κερδών σύμφωνα με την μέθοδο symmetrical optimum προκύπτουν από τα κριτήρια σταθερότητας του Nyquist [52][53] G ( jω) = 1 o o ο G ( jω) = 18 +Φ (Σχέσεις 4.13) Μ pu dcpu Οι τιμές των κερδών είναι Tiv = K p, pu 2 a Teq TC = akt eq (Σχέσεις 4.14) Και οι αντίστοιχες συναρτήσεις μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου και κλειστού βρόγχου G o a Teq s = a T s 1+ T s eq 1 G c = 1 + a T s + a T s + a T s eq 2 + a Teq s eq eq eq 117

118 Όπου α είναι η συμμετρική απόσταση από το 1/Τ iv εώς την συχνότητα ω d (crossover 1 frequency ω d = συχνότητα στην οποία το πλάτος είναι 1),και από το 1/Τ eq εώς T T την ω d. eq iv Μικρές τιμές της παραμέτρου α δίνουν μικρό περιθώριο φάσης και υψηλές ταλαντώσεις,ενώ αυξάνοντας την α η απόσβεση των ταλαντώσεων βελτιώνεται αλλά η απόκριση του συστήματος γίνεται πιο αργή. Οι προτεινόμενες τιμές της παραμέτρου α είναι στο διάστημα 2-4 [52][53]. Εξετάζεται η απόκριση της dc τάσης για διάφορες τιμές της παραμέτρου α. Στον παρακάτω φαίνονται τα κέρδη που προκύπτουν με την μέθοδο symmetrical optimum. Αναλογικό κέρδος k p Ολοκληρωτικό κέρδος k i α= α= α= α= Πίνακας 4.7: Κέρδη PI ελεγκτή dc τάσης συναρτήσει της παραμέτρου της α της μεθόδου symmetrical optimum Παρατηρείται ότι για α=3 και α=4 η dc τάση παρουσιάζει έντονες ταλαντώσεις. Αν και η απόκριση γίνεται πιο αργή για τις μεγαλύτερες τιμές(ταχύτερη όμως συγκριτικά με την απόκριση της παραγράφου 2), οι ταλαντώσεις την dc τάσης μειώνονται σε τέτοιο βαθμό ώστε να είναι καλύτερη επιλογή η α=6. Για α=6: K vdpu = = 1 στην στάσιμη κατάσταση V dcpu 2 6 Cdc 55*1 C= = 55µ F C pu = = Cdc+ Cdc 4* Tc = = π *5* Τ = 36*.66= iv.1853 k p = = * ki = =

119 G G o c.21816s+ 1 = *1 s *1 s.21816s+ 1 = *1 s *1 s *1 s+ 1 1 Bode Diagram Gm = -Inf db (at rad/s), Pm = 71.1 deg (at 275 rad/s) Magnitude (db) Phase (deg) Frequency (rad/s) Σχήμα 19: Διάγραμμα Bode συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελεγκτή dc τάσης σχεδιασμένη με την μέθοδο symmetrical optimum Το περιθώριο κέρδους υπολογίζεται από το Matlab άπειρο(1 4 ) και το περιθώριο φάσης 71.1 ο. Φαίνεται ότι το περιθώριο φάσης φτάνει στην μέγιστη τιμή του στην συχνότητα crossover, κάτι που εξασφαλίζει μέγιστο περιθώριο στην συχνότητα σχεδίασης. Η συνάρτηση μεταφοράς συμπεριφέρεται σαν ζωνοπερατό φίλτρο όπως φαίνεται από το διάγραμμα Bode και κατά συνέπεια η ρύθμιση του ελεγκτή με την μέθοδο symmetrical optimum είναι αποτελεσματική όσο αφορά την απόρριψη διαταραχών. 5 Nyquist Diagram Imaginary Axis Real Axis Σχήμα 11 : Διάγραμμα Nyquist συνάρτησης μεταφοράς ανοιχτού βρόγχου ελεγκτή dc τάσης σχεδιασμένη με την μέθοδο symmetrical optimum 119

120 (x1)kv Offset= (secs) p.u Offset= (secs) Σχήμα 111: dc τάση στο VSC αντιστροφέα θετικού πόλου και συνολική με τα βέλτιστα κέρδη Η dc τάση στον αντιστροφέα με τα κέρδη της μεθόδου symmetrical optimum σταθεροποιείται στο 1 pu μόλις η ισχύς του συστήματος σταθεροποιείται το 1.1s ενώ η dc τάση της παραγράφου 2 (σχήμα 76) χρειαζόταν περίπου.2s επιπλέον. Οι ολοκληρωτικοί ελεγκτές της ενεργού και της άεργου ισχύος μπορούν να ρυθμιστούν επίσης με την μέθοδο symmetrical optimum με τα σχήματα ελέγχου που παρουσιάζονται εδώ [53]. Oι ειδικοί PI ελεγκτές παράκαμψης της ενεργού και της άεργου για την διατήρηση της dc τάσης και της ac τάσης εντός προκαθορισμένων ορίων,αλλά και ο PI ελεγκτής ισορροπίας της dc τάσης ρυθμίζονται με δοκιμές (trial and error) και βάσει των γενικών κανόνων της παραγράφου 2 ώστε να έχουν μια λογική απόκριση πιο αργή από αυτή του εσωτερικού βρόγχου ρεύματος. 4.6 Μεταβατικά φαινόμενα στην εκκίνηση του συστήματος Η εκκίνηση του συστήματος μέχρι τώρα προσομοίωθηκε ως εξής: Αρχικά τα ac δίκτυα τροφοδοτούν τους μετατροπείς που λειτουργούν ως ανορθωτές εώς το.3s, χρονική στιγμή 12

121 στην οποία ενεργοποιείται η διαμόρφωση των μετατροπέων και η ράμπα ενεργού ισχύος. Ο έλεγχος της dc τάσης στον αντιστροφέα ενεργοποιείται στο.1s. Στις μετρήσεις της dc τάσης και του dc ρεύματος παρατηρούνται ταλαντώσεις, μεγαλύτερες στο dc ρεύμα, στο διάστημα.3s που δεν τροφοδοτούνται οι VSC με παλμούς και κατά συνέπεια δεν άγουν τα IGBTs. Για την μείωση των καταπονήσεων στα IGBTs κατά την διάρκεια μεταβάσεων σε επίπεδα ισχύος εκτός των προδιαγραφών τους, χρησιμοποιούνται RC κυκλώματα snubber τα οποία επιτελούν τις παρακάτω λειτουργίες [19]: Μειώση των τάσεων και του ρυθμού αύξησης της τάσης κατά την διάρκεια των μεταβατικών φαινομένων σβέσης. Μείωση ρευμάτων και του ρυθμού αύξησης του ρεύματος στην έναυση. Διαμόρφωση της μετάβασης του στοιχείου καθώς αυτό ανοίγει και κλείνει. Στο μοντέλο προσομοιώνονται τα snubber κυκλώματα. Οι διακόπτες εξαναγκασμένης μεταγωγής του μοντέλου συμπεριφερόνται καλά μόνο με ωμικά snubber κυκλώματα όσο τροφοδοτούνται με παλμούς. Όταν δεν τροφοδοτούνται με παλμούς η γέφυρα συμπεριφέρεται σαν ανορθωτής με διόδους και σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να οριστούν κατάλληλες τιμές για την αντίσταση και την χωρητικότητα των snubber κυκλωμάτων σύμφωνα με τις σχέσεις 4.15 [1]: Αυτές οι σχέσεις προκύπτουν από 2 κριτήρια: To ρεύμα διαρροής (leakage current) του snubber κυκλώματος στην θεμελιώδη συχνότητα είναι μικρότερο από.1% του ονομαστικού ρεύματος όταν οι διακόπτες δεν άγουν. Η χρονική σταθερά RC του snubber κυκλώματος είναι μεγαλύτερη από δύο φορές τον χρόνο δειγματοληψίας Αν θεωρηθεί ότι ο μετατροπέας έχει ονομαστική ισχύ 65MVA, ονομαστική πολική τάση 24kVrms και ο χρόνος δειγματοληψίας είναι το 1% της περιόδου μετάβασης των διακοπτών(1/165=6.6*1-4 s) τότε R=8kΩ C=2nF ικανοποιούν τις παραπάνω σχέσεις. Η αλλαγή των παραμέτρων των snubber κυκλωμάτων των IGBTs και ειδικότερα η μείωση της χωρητικότητας από R=5kΩ C=1μF σε R=8kΩ C=2nF έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος κατά 3.6%, γιατί η ενέργεια ως απώλεια που καταλώνεται στις αντιστάσεις των snubbers εξαρτάται από την αποθηκευμένη ενέργεια στους πυκνωτές [19]. Η αύξηση της χωρητικότητας των snubbers όπως διαπιστώνεται από τις προσομοιώσεις έχει περίπου τα ίδια αποτελέσματα με αυτά των dc πυκνωτών, δηλαδή 121

122 μείωση της κυμάτωσης στην dc πλευρά,μείωση του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος και επίδραση στην απόκριση του συστήματος. Στην συνέχεια θα προσομοιωθεί ένας διαφορετικός τρόπος εκκίνησης του συστήματος με σκοπό να μελετηθούν τα μεταβατικά φαινόμενα με διακόπτες όπως ζεύξη υποσταθμών στην πλευρά του πρωτεύοντος των ΜΣ και ζεύξη dc γραμμής. Η ζεύξη των υποσταθμών γίνεται στο.1s και η ζεύξη της dc γραμμής το.3s όταν αρχίζει η διαμόρφωση των VSC. Όσο αφορά την ζεύξη της dc γραμμής εξετάστηκαν 2 περιπτώσεις. Όταν η ζεύξη της dc γραμμής γίνεται με διακόπτες τοποθετημένους μετά από τις αυτεπαγωγές εξομάλυνσης, δηλαδή οι dc πυκνωτές φορτίζονται στο διάστημα.1-.3s, τα αποτελέσματα στην εκκίνηση είναι dc υπερτάση στους πόλους που από τα 3kV φτάνει στην ονομαστική τιμή της με αποσβενύμενη ταλάντωση περίπου σε.3s, dc υπερρεύματα με κυματομορφές παρόμοιες με αυτές της παραγράφου 2 και μέγιστο στα 2.5kA, υπερρεύμα στην ac πλευρά. Όταν η ζεύξη γίνεται με διακόπτες τοποθετημένους πριν τους dc πυκνωτές και στους 3 πόλους(και στον γειωμένο) των VSC, δηλαδή οι dc πυκνωτές αρχίζουν να φορτίζονται στο.3s, υπάρχει dc υπέρταση στην εκκίνηση ενώ δεν παρατηρούνται οι έντονες ταλαντώσεις και τα υπερρεύματα της προηγούμενης περίπτωσης στην dc πλευρά. Από την άλλη το υπερρεύμα στην ac πλευρά είναι μεγαλύτερο. Αυτή η περίπτωση θα μελετηθεί. Στην πραγματικότητα χρησιμοποιούνται αυτόματοι διακόπτες ισχύος (circuit breakers) στην ac πλευρά των VSC για την προστασία του dc συστήματος. Αν και είναι οικονομικός τρόπος προστασίας, έχουν μεγάλο χρόνο διακοπής(στην καλύτερη περίπτωση περίπου 2 κύκλους). Η dc τάση στους πυκνωτές όπως και τα ρεύματα στους πόλους παρακολουθούνται και τροφοδοτούνται σε ένα ρελέ. Όταν συμβεί ένα dc σφάλμα, οι πυκνωτές εκφορτίζονται ραγδαία προκαλώντας βύθιση στην τάση και το dc ρεύμα αυξάνεται περισσότερο από την ονομαστική τιμή του. Τότε το ρελέ δίνει εντολή στον αυτόματο διακόπτη ισχύος(δι) να ανοίξει. Μετά από μικρό χρονικό διάστημα το ρελέ δίνει εντολή στον ΔΙ να κλείσει. Αν ανιχνευθεί ξανά σφάλμα με την ίδια διαδικασία θα ξανανοίξει ο ΔΙ, ενώ αν το σφάλμα δεν έχει εκκαθαριστεί μετά από μερικές επαναλήψεις το ρελέ θα κλειδώσει τον ΔΙ. Η επαναφορά του συστήματος διαρκεί συνήθως από 1ms εώς λίγα δευτερόλεπτα. Οι ΔΙ των VSC συστημάτων πρέπει να πολύ γρήγοροι και να έχουν ικανότητα διακοπής πολύ υψηλών ρευμάτων. Στην dc πλευρά, ειδικά στα πολυτερματικά VSC συστήματα, χρησιμοποιούνται γρήγοροι αποζεύκτες (fast acting dc switches) οι οποίοι μόνο απομονώνουν τις γραμμές μεταφοράς και δεν μπορούν να διακόψουν ονομαστικό ρεύμα ή σφάλμα. Το ρεύμα των αποζευκτών λαμβάνεται ως μέτρηση και σε περίπτωση σφάλματος ανοίγουν όλοι οι ΔΙ του πολυτερματικού συστήματος. Στην συνέχεια κάθε VSC ανοίγει τον αποζεύκτη που αντιστοιχεί στην γραμμή με το μεγαλύτερο θετικό σφάλμα [57]. Παρ όλα αυτά υπάρχουν αρκετά είδη dc ΔΙ που εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς. Η ικανότητα διακοπής ρεύματος των dc ΔΙ είναι περιορισμένη, ενώ για CSC συστήματα όπου το dc σφάλμα περιορίζεται σημαντικά από την μεγάλη αυτεπαγωγή εξομάλυνσης,ο χρόνος διακοπής των dc ΔΙ της τάξης των 35ms θεωρείται ικανοποιητικός. Στα αρνητικά τους συμπεριλαμβάνονται το μέγεθος τους και το κόστος τους, το οποίο συγκριτικά με το κόστος ac ΔΙ αντίστοιχων προδιαγραφών είναι πολύ μεγαλύτερο. Έτσι στα point-to-point συστήματα η λειτουργία των dc ΔΙ αντικαταστάθηκε είτε με τον έλεγχο των υποσταθμών είτε με την χρήση ac ΔΙ που ανοίγουν σε περίπτωση σφαλμάτων και με την χρήση αποζευκτών όπως εξηγήθηκε [58]. 122

123 Οι VSC έχουν επίσης την δυνατότητα black-start. Συγκεκριμένα έχουν την δυνατότητα να επαναφέρουν νεκρά ac δίκτυα (dead ac grids). Αν για παράδειγμα συμβεί blackout στο ac δίκτυο ενός μετατροπέα, τότε η αποθεματική μπαταρία(reserved battery) του δεύτερου μετατροπέα θα διατηρήσει τον έλεγχο και την προστασία του δεύτερου σε λειτουργία. ηηλίγα δευτερόλεπτα από την στιγμή που το σύστημα ελέγχου και προστασίας του ανιχνεύσει ότι το ac δίκτυο είναι όντως νεκρό, θα μπλοκάρει τον μετατροπέα, θα ανοίξει τον ac ΔΙ και ο μετατροπέας θα μεταβεί σε λειτουργία black start. Έπειτα παράγεται ένα πριονωτό ψηφιακό σήμα πλάτους 2π με προκαθορισμένη συχνότητα από τον ψηφιακό έλεγχο. Αυτό το σήμα σε συνδυασμό με ένα προκαθορισμένο πλάτος τάσης δίνει την ac τάση αναφοράς. Έτσι μόλις ανοίξει ο ΔΙ ισχύος ο μετατροπέας ξεμπλοκάρεται και η ac τάση σταδιακά φτάνει την αναφορά της. Ο VSC προσφέρει μια αποτελεσματική λύση για την αποκατάσταση νεκρών ac δικτύων με μοναδική προϋπόθεση για το black start μια μπαταρία χαμηλής ισχύος σε αντίθεση με άλλες μεθόδους που απαιτούνται ατμογεννήτριες μεγάλης ισχύος. Αφού αποκατασταθεί το ac δίκτυο κλείνει ο ΔΙ και τροφοδοτούνται διάφορα φορτία [59]. Από όσα αναφέρθηκαν βγαίνει το συμπέρασμα ότι σε ένα VSC-HVDC είναι πιθανό να συμβαίνουν συχνές ζεύξεις και αποζεύξεις του εξοπλισμού μέσω ΔΙ. Επίσης μπορεί να συμβαίνουν όχι μόνο λόγω σφαλμάτων, αλλά και για άλλους λόγους π.χ. συντήρηση υποσταθμών. Για την προσομοιώση των ζεύξεων χρησιμοποιούνται τα στοιχεία circuit breakers της βιβλιοθήκης Simpowersystems τα οποία προγραμματίζονται για τις μεταβάσεις ενώ δεν έχουν δυνάτοτητα διακοπής υπερρευμάτων. Οι circuit breakers των υποσταθμών προγραμματίζονται να κλείνουν στο.1s και οι circuit breakers που απομονώνουν τους VSC από την dc γράμμη στο.3s. Όλα τα στοιχεία έχουν ωμικά snubbers 1MΩ και αντίσταση αγωγής 1mΩ. Ο έλεγχος και των 2 μετατροπέων ρυθμίζεται ώστε να ενεργοποιείται στο.3s. Σχήμα 112 Μοντέλο με CBs στην dc πλευρά των VSC 123

124 3 2 kv Offset= (secs) Σχήμα 113: Dc υπερτάση kV στον θετικό πόλο του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γράμμης) 1 ka Offset= (secs) Σχήμα 114: Dc ρεύματα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γράμμης) 1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 115: Άεργος ισχύς στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 124

125 1.5 p.u Offset= (secs) Σχήμα 116: Ενεργός ισχύς στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Τριφασική τάση στον ζυγό B1 (PCC ανορθωτή). 1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 117: Tριφασική τάση στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 2 p.u Offset= (secs) Σχήμα 118: Tριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής). Μέγιστο φάσης Α 2.964pu=2.139kA 125

126 -1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 119: Συνιστώσα q ρεύματος στον ζυγό του ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 3 kv Offset= (secs) Σχήμα 12: Dc υπερτάση kV θετικού πόλου VSC ανορθωτή (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 121: Άεργος ισχύς στο ζυγό B2 του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 122: Τριφασική τάση στο PCC του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) 126

127 2 p.u Offset= (secs) Σχήμα 123: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC αντιστροφέα (μεταβατικό φαινόμενο ζεύξης dc γραμμής) Από τις γραφικές παραστάσεις φαίνεται ότι οι ζεύξεις του υποσταθμών στο.1s προκαλούν μικρά μεταβατικά φαινόμενα. Το πιο ισχυρό μεταβατικό παρατηρείται κατά την ζεύξη των dc στοιχείων των μετατροπέων και της dc γραμμής στο.3s σε συνδυασμό με την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των VSC και του ελέγχου. H dc τάση παρουσιάζει μια υπερτάση που στον θετικό πόλο του αντιστροφέα φτάνει μέχρι τα 38kV και στην ac πλευρά στο PCC συμβαίνει βύθιση της ac τάσης και εμφανίζεται υπερρεύμα. Η ζήτηση της άεργου επίσης εκτινάσσεται στο 1.218pu. Στην ac πλευρά αν και ενεργοποιείται ο ειδικός ελέγχος που παρακάμπτει τον έλεγχο της άεργου ισχύος και ελέγχει την ac τάση στο PCC με σκοπό να την περιορίσει σε ένα εύρος κοντά στο 1 pu, η βύθιση τάσης διαρκεί περίπου.8s με το αντίστοιχο υπερρεύμα. Για να περιοριστεί η dc υπέρταση θα χρησιμοποιηθούν εκτροπείς υπερτάσεων (surge arresters) παράλληλα στους dc πυκνωτές και για περιοριστεί η βύθιση τάσης,άρα και το υπερρεύμα,στην ac πλευρά θα χρησιμοποιηθούν αρχικά ΜΣ με ελεγχόμενο λόγο μετασχηματισμού (on load tap changing transformers) για τον έλεγχο της ac τάσης. Οι εκτροπείς υπερτάσεων χρησιμοποιούνται στα HVDC συστήματα για να προστατεύσουν τον εξοπλισμό από διάφορων ειδών υπερτάσεων. Συγκεκριμένα από υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνούς, χειρισμούς διακοπτών και από σφάλματα. Βασικός σκοπός τους είναι να μειώνεται η τάση στον εξοπλισμό που εκτίθεται σε υπερτάσεις και να διατηρείται σε επίπεδο χαμηλότερο από την αντοχή της μόνωσης του εξοπλισμού. Αυτό επιτυγχάνεται με παράλληλη σύνδεση στα άκρα του εξοπλισμού στοιχείων που έχουν εξαιρετικά μη γραμμικές χαρακτηριστικές ρεύματος και τάσης. Υπάρχουν δύο βασικά είδη εκτροπέων υπερτάσεων: οι εκτροπείς πορσελάνης και οι πολυμερείς εκτροπείς. Βασική διαφορά αυτών των δύο εκτροπέων είναι η συμπεριφορά τους σε κατάσταση βραχυκυκλώματος. Ένας εκτροπέας πορσελάνης υπάρχει κίνδυνος να θρυμματιστεί σε περίπτωση που διέλθει μέσα από αυτόν μεγάλο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Αντίθετα, ένας πολυμερής εκτροπέας απλά παρουσιάζει στην επιφάνειά του σημάδια ότι έχει καεί. Επιπλέον, ένα άλλο πλεονέκτημά του είναι και οι αυξημένες μηχανικές αντοχές του, γι αυτό και χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις με υψηλή πιθανότητα σεισμού, όπως ότι είναι και πιο ελαφρύς από τον εκτροπέα πορσελάνης [6][61]. Υπάρχουν 6 τύποι εκτροπέων υπερτάσεων ανάλογα με την χρήση τους που συμβολίζονται με τα γράμματα A εώς F [61] οι οποίοι φαίνονται στο σχήμα

128 Σχήμα 124: Εκτροπείς υπερτάσεων στον HVDC υποσταθμό Στο μοντέλο θα προσομοιωθούν εκτροπείς υπερτάσεων με τα στοιχεία surge arrester της βιβλιοθήκης Simpowersystems, οι οποίοι έχουν 2 στήλες με μη γραμμικές αντίστασεις κατασκευασμένες από μεταλλικά οξείδια, συγκεκριμένα από οξείδιο του ψευδάργυρου και από οξείδιο του βισμουθίου [1][61]. Οι χαρακτηριστικές των εκτροπέων υπερτάσεων δίνονται από την σχέση Σχήμα 125: Χαρακτηριστικές τάσης-ρεύματος εκτροπέων υπερτάσεων Οι παράμετροι k και α αφήνονται ως έχουν γιατί συμφωνούν με τις χαρακτηριστικές των πιο γνωστών κατασκευαστών. Στην συνέχεια θα οριστούν η τάση και το ρεύμα αναφοράς τους ώστε να επιτευχθεί το κατάλληλο επίπεδο προστασίας για το μοντέλο. 128

129 Σχήμα 126: Συνδεσμολογία εκτροπέων υπερτάσεων στο μοντέλο Στα VSC-HVDC συστήματα εφαρμόζεται έλεγχος με μεταγωγείς τάσης στους ΜΣ για να διατηρείται η τάση στον ζυγό φίλτρων και κατά συνέπεια ο συντελεστής διαμόρφωσης εντός ασφαλών ορίων [63]. Ο έλεγχος της τάσης στο σύστημα επηρεάζει κυρίως την ροή της άεργου ισχύος, η οποία με την σειρά της θα επηρεάσει τα όρια μεταφερομένης ισχύος. Αν και ο OLTC δεν προσφέρει τόση ευελιξία(flexibility) και ταχυτήτα όση τα γνωστά FACTS, μπορεί να θεωρηθεί ως ένας βασικός ελεγκτής της ροής ισχύος [15]. Ο μεταβολή του λόγου του μετασχηματισμού υπό φορτίο (OLTC) προσφέρει την ρύθμιση της τάσης και της φάσης (phase shifting) μεταβάλλοντας τον λόγο μετασχηματισμού των ΜΣ υπό φορτίο χωρίς διακοπή. Αυτό επιτυγχάνεται προσθέτοντας ή αφαιρώντας σπείρες είτε από το πρωτεύον είτε από το δευτερεύον του ΜΣ. Ειδικότερα, ο μεταγωγέας τάσης (tap changer) είναι μία διάταξη που αποτελείται από δύο διακόπτες που προσθέτουν ή αφαιρούν σπείρες στο πρωτεύον ή στο δευτερεύον τύλιγμα του ΜΣ και έτσι αλλάζουν τον αριθμό των ενεργών σπειρών στο τύλιγμα αυτό. Για την πρόσθεση ή αφαίρεση σπειρών υπάρχουν οι λεγόμενες απολήξεις. Οι απολήξεις είναι προεκτάσεις από ένα επιπλέον τύλιγμα που συνδέεται εν σειρά με το τύλιγμα του ΜΣ. Αυτές αναχωρούν από το πρόσθετο τύλιγμα και οδηγούνται στον πρώτο διακόπτη που τις επιλέγει κατάλληλα, ο διακόπτης αυτός ονομάζεται επιλογέας (tap selector). Στη συνέχεια, μέσω του δεύτερου διακόπτη, που ονομάζεται μεταγωγικός διακόπτης (diverter switch), γίνεται η μεταγωγή του ρεύματος φορτίου από την προηγούμενη απόληξη στην επιθυμητή. Με την επιλογή κάποιας απόληξης και τη ροή του ρεύματος φορτίου μέσω αυτής εισάγεται κάποιο επιπλέον τμήμα στο τύλιγμα του ΜΣ και άρα αυξάνονται οι σπείρες στην πλευρά αυτή ή αφαιρείται κάποιο τμήμα και έτσι μειώνονται οι σπείρες. Σχήμα 127: Τυπικός μεταγωγέας τάσης 129

130 O μηχανισμός του OLTC περιλαμβάνει τον επιλογέα, διακόπτες, σύστημα μόχλευσης, σύνθετες αντιστάσεις για τα μεταβατικά φαινόμενα,σύστημα ψύξης και μόνωσης κ.α. Πιο αναλυτικά για τον μηχανισμό των μεταγωγέων τάσης και τους τύπους που υπάρχουν στις αναφορές [64][63][67]. Τυπικά χαρακτηριστικά των μεταγωγέων τάσης υπό φορτίο είναι το εύρος αλλαγής τάσης εώς 2%, η βηματική αλλαγή τάσης από.8 εώς 2.5% της ονομαστικής τάσης του ΜΣ, μεγάλη διάρκεια ζωής (μέχρι 3 αλλαγές tap) και ο χρόνος επιλογής και εφαρμογής βήματος (tap selection time) 3-1s [15][64]. Ο μεγάλος χρόνος αλλαγής κατά ένα βήμα οφείλεται στην καθυστέρηση των μηχανικού μέρους. Αυτά βέβαια ισχύουν για τους συμβατικούς, μηχανικούς και υβριδικούς, μεταγωγείς τάσης. Οι μεταγωγείς τάσης που χρησιμοποιούν μόνο ημιαγωγικά στοιχεία (solid-state tap changers) για την επιλογή και την εφαρμογή βήματος έχουν σημαντικά πλεονέκτημα σε σχέση με τους προηγούμενους, με μοναδικό μειονέκτημα το μεγαλύτερο κόστος. Σε αυτούς ο χρόνος επιλογής και εφαρμογής βήματος είναι μισός ή ένας κύκλος της θεμελιώδους περιόδου (στην ουσία έχουν δυνατότητα συνεχούς αλλαγής tap), η αλλαγή θέσης του tap μπορεί να γίνει μεταξύ οποιοδήποτε επιπέδων κατά την λειτουργία, και δεν χρειάζονται συντήρηση. Τα ημιαγωγικά στοιχεία τους μπορεί να είναι θυρίστορ, GTO ή IGBT [65][66]. Στην πραγματικότητα ο χρόνος αλλαγής της θέσης του tap σε ένα ΣΗΕ προσαρμόζεται έτσι ώστε να μην επιβάλλει αλλαγή του λόγου του μετασχηματισμού σε περιπτώσεις στις οποίες η ανύψωση ή η βύθιση της τάσης προκαλείται από μεταβατικά φαινόμενα μικρής διάρκειας. Σχήμα 128: Μοντέλο OLTC 13

131 Το μοντέλο του ΜΣ είναι διαθέσιμο στην βιβλιοθήκη Simscape. Ο ΜΣ είναι συνδεσμολόγιας YD και οι παράμετροι του είναι όμοιες με τις παραμέτρους του μοντέλου του ΜΣ που χρησιμοποιήθηκε μέχρι τώρα. Μια τριφασική αντίσταση 1kΩ συνδέεται παράλληλα καθώς για να συνδεθεί ο ΜΣ με τα μοντέλα της βιβλιοθήκης Simpowersystems χρησιμοποιούνται ειδικά blocks και έτσι ο ΜΣ συμπεριφέρεται σαν πηγή ρεύματος. Παρακολουθείται η τριφασική τάση σε pu στον ζυγό φίλτρων (2 ον ΜΣ), λαμβάνεται το πλάτος της ορθής συνιστώσας της τάσης V m και οδηγείται στον ρυθμιστή τάσης και tap (Voltage regulator and tap control). Εκεί συγκρίνεται η τάση V m με την αναφορά V ref μέσω της σχέσης V m V ref >DeadBand/2, όπου DeadBand το εύρος μέσα στο οποίο πρέπει να βρίσκεται η V m. Αν ισχύει η ανισότητα για χρόνο μεγαλύτερο της παραμέτρου Delay, ο ρυθμιστής της τάσης ζητάει μια αλλαγή του λόγου μετασχηματισμού σύμφωνα με την σχέση N2/N1 = 1/(1 + N*DeltaU) αν ο μεταγωγέας τάσης βρίσκεται στο 1 ον, και σύμφωνα με την σχέση N2/N1 = 1 + N*DeltaU αν ο μεταγωγέας τάσης βρίσκεται στο 2 ον, όπου Ν2/Ν1 ο λόγος των σπειρών των τυλιγμάτων, N η θέση του tap, DeltaU το βήμα της τάσης ανά tap. Μέσω των παραμέτρων του ρυθμιστή τάσης και tap είναι δυνατός ο ορισμός της V ref, του εύρους DeadBand, του χρόνου delay, του DeltaU, του μέγιστου και του ελάχιστου αριθμού taps (Ν) και του χρόνου επιλογής tap. Παρά το γεγονός ότι στην προσομοίωση του συστήματος ο λόγος μετασχηματισμού ρυθμίζεται έτσι ώστε να μεταβάλλεται σχεδόν ακαριαία με τις μεταβολές της τάσης του 2 ος, η τάση αργεί να επανέλθει συγκριτικά με την διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου και το αποτέλεσμα δεν είναι το επιθυμητό. Τις τελευταίες δεκαετίες τα υπεραγώγιμα υλικά επικεντρώνουν το ενδιαφέρον εξαιτίας των ιδιοτήτων τους, όπως είναι ο περιορισμός του ρεύματος που προκαλούν, ο οποίος καθορίζεται από την μη γραμμική απόκριση τους στο ρεύμα, την θερμοκρασία και τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου. Ο υπεραγώγιμος περιοριστής σφάλματος (Superconducting Fault Current Limiter) είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που βασίζεται στην αρχή της υπεραγωγιμότητας. Ο SFCL έχει μηδενική αντίσταση σε κανονικές συνθήκες λειτουργία, αλλά στην περίπτωση σφάλματος(υπερρεύματος), εξαιτίας της αύξησης της θερμοκρασίας, προσφέρει αντίσταση στο δίκτυο στιγμιαία και περιορίζει το σφάλμα. Μόλις εκκαθαριστεί το σφάλμα, ο SFCL επανέρχεται στην μηδενική αντίσταση εξαιτίας της μείωσης της θερμοκρασίας του. O SFCL δεν καταστέλλει μόνο το πλάτος των ρευμάτων που προκαλούνται από σφάλματα αλλά εξασφαλίζει και ευστάθεια στα σύστηματα κατά την διάρκεια μεταβατικών φαινομένων [68][69]. Οι SFCL έχουν συνήθως εφαρμογή στα ac συστήματα, όμως είναι το ίδιο αποτελεσματικοί στα dc κυκλώματα όπως αποδεικνύεται σε αυτές τις αναφορές [7][75] όπου o SFCL είναι τοποθετημένος στην dc πλευρά ενός VSC- HVDC συστήματος και εξετάζονται διαφόρων ειδών σφάλματα. Για την περίπτωση που εξετάζεται σε αυτή την εργασία θα τοποθετηθεί πριν από τους ζυγούς των PCC με σκοπό να περιορίσει το ac υπερρεύμα που προκαλείται από την ζεύξη της dc πλευράς το.3s. Οι SFCL που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα είναι 3 τύπων: αυτεπαγωγής, μετασχηματιστή και αντίστασης [68]. Ο SFCL που θα προσομοιωθεί είναι ιδανικός τύπου αντίστασης με χρόνο μετάβασης στην μέγιστη αντίσταση 1μs, μηδενικό χρόνο αποκατάστασης και μηδενική αντίσταση στην κανονική λειτουργία. 131

132 Σχήμα 129: Μοντέλο SFCL Αρχικά ο SFCL δέχεται ως είσοδο το φασικό ρεύμα στο PCC και υπολογίζει την RMS τιμή του. Κατόπιν την συγκρίνει με την αναφορά των 95A (1.316pu). Αν η RMS τιμή του φασικού ρεύματος είναι μεγαλύτερη από την αναφορά τότε αυξάνεται η αντίσταση του SFCL στα 15Ω. Το γινόμενο της αντίστασης και του στιγμιαίου φασικού ρεύματος στέλνεται ως σήμα διέργεσης στην ελεγχόμενη ac πηγή τάσης, η οποία παριστάνει την πτώση τάσης πάνω στον SFCL. Όσο το φασικό ρεύμα είναι μικρότερο από την αναφορά, ο SFCL έχει μηδενική αντίσταση. Τελικά προσομοιώνεται το σύστημα με SFCL συνδεδεμένους στους ζυγούς των PCC και εκτροπείς υπερτάσεων με παραμέτρους V ref =22kV I ref =1A. 132

133 3 2 kv Offset= (secs) Σχήμα 13: Dc τάση στον θετικό πόλο του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL). Μέγιστο kV. 1 ka Offset= (secs) Σχήμα 131: Dc ρεύματα στους πόλους (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) 1.5 p.u Offset= (secs) Σχήμα 132: Άεργος ισχύς στο PCC VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) 133

134 1 p.u Offset= (secs) Σχήμα 133: Τριφασική τάση στο PCC του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) 2 p.u Offset= (secs) Σχήμα 134: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC ανορθωτή (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) 2 kv Offset= (secs) Σχήμα 135: Dc τάση στον θετικό πόλο του VSC αντιστροφέα (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL). Μέγιστο kv. 134

135 2 p.u Offset= (secs) Σχήμα 136: Τριφασικό ρεύμα στο PCC του VSC αντιστροφέα (εκτροπείς υπερτάσεων και SFCL) Οι εκτροπείς υπερτάσεων µείωσαν την υπέρταση στους πόλους κατά 27kV. Αυξάνοντας το I ref για το ίδιο V ref είναι δυνατή η εξάλειψη της υπέρτασης. Επειδή όµως η τάση προστασίας των 22kV είναι κοντά στην τάση λειτουργίας των πόλων στην στάσιµη κατάσταση, για µεγαλύτερο I ref οι εκτροπείς υπερτάσεων άγουν σηµαντικό ρεύµα στην στάσιµη κατάσταση µε αποτέλεσµα να µειώνεται η µεταφερόµενη ισχύς. Επίσης µείωσαν δραστικά το πλάτος των ταλαντώσεων του dc ρεύµατος. Όσο αφορά τους SFCL, παρά το γεγονός ότι στην πρώτη περίοδο του µεταβατικού φαινοµένου (.3-.32s) µείωσαν το πλάτος του υπερρεύµατος µόνο κατά.15pu, από την δεύτερη περίοδο και έπειτα περιόρισαν το ρεύµα σε τιµές κάτω από 2pu µειώνοντας το πλάτος κατά.6.9 pu. 4.7 Ανάλυση ισχύος στην στάσιμη κατάσταση Εφαρμόζοντας όλες τις αλλαγές παραμέτρων που έγιναν στο μοντέλο, χωρίς τα μέσα προστασίας και τους διακόπτες της παραγράφου 6, θα γίνει η ανάλυση της ισχύος του συστήματος στην στάσιμη κατάσταση. Για την μέτρηση των τάσεων, των ρευμάτων, των φάσεων και των ισχύων στην θεμελιώδη συχνότητα θα χρησιμοποιηθούν τα στοιχεία Voltage measurement, Current measurement, 3-phase instantaneous active and reactive power και Fourier analyser της βιβλιοθήκης Simpowersystems. Συγκεντρωτικά οι μετρήσεις φαίνονται στο πίνακα 135

136 Υποσταθμός ανορθωτή Rms ρεύμα φάσης Α (kα) < Rms πολική τάση (kv) Φασική γωνία τάσης Ενεργός ισχύς(mw) Άεργος ισχύς(μvar) φάση(μοίρες) ρεύματος (μοίρες) Ζυγός.828< Β1(PCC) Ζυγός F < Ζυγός V < Κλάδος ac.128< φίλτρων 1 Υποσταθμός αντιστροφέα Ζυγός.725< Β2(PCC) Ζυγός F < Ζυγός V < Κλάδος ac.13< φίλτρων 2 Dc γραμμή Dc ρεύμα(α) Dc τάση(kv) Ισχύς(MW) Τερματικό ανορθωτή Τερματικό αντιστροφέα Πίνακας 4.8: Τάσεις, ρεύματα και ισχείς VSC-HVDC συστήματος στην στάσιμη κατάσταση 136

137 Σχήμα 137: Μονοφασικό ισοδύναμο VSC-HVDC συστήματος στην στάσιμη κατάσταση. Ροή ενεργού και άεργου ισχύος. 137

138 Οι τριφασικές ισχείς του πίνακα ικανοποιούν τις σχέσεις P= Q= 3VI cosϕ 3VI sin ϕ (Σχέσεις 4.17) Όπου V πολική τάση και φ η φασική γωνία τάσης ρεύματος. Επειδή R από τους γνωστούς τύπους VFVV sinδ P= Χ VF ( VF VV cos δ ) Q= Χ Για τον ανορθωτή προκύπτει: o o 213.6* *sin( ) P= = MW 36 o o 213.6( cos( )) Q= = 35.96MVAr 36 Και για τον αντιστροφέα: o o 216.8* *sin( ) P= = 511.7MW 36 o o 216.8( cos( )) Q= = 37.21MVAr 36 Τα πρόσημα δείχνουν την κατεύθυνση της ισχύος. Έτσι η ροή της ενεργού ισχύος είναι από το ac σύστημα 1 προς το ac σύστημα 2, και η ροή της άεργου ισχύος είναι από τους μετατροπείς προς την ac πλευρά. Ελέγχοντας την διαφορά φάσης δ ελέγχεται η ροή της ενεργού ισχύος, ενώ ελέγχοντας το πλάτος της τάσης του ζυγού φίλτρων και του μετατροπέα μέσω της διαμόρφωσης PWM ελέγχεται η ροή της άεργου ισχύος. Αυτά τα χαρακτηριστικά εξασφαλίζουν ανεξάρτητο έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος το οποίο είναι ένα βασικό πλεονέκτημα του VSC-HVDC συστήματος. Το P-Q διάγραμμα του VSC είναι ένας κύκλος και δίνεται από την σχέση U 2 2 ( F U FUV P + Q ) = ( ) (Σχέση 4.18) X X Σε αντίθεση με τους CSC, το κέντρο δεν βρίσκεται στο σημείο. Επίσης φαίνεται από τον τύπο ότι η μειώνοντας το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης του VSC, είναι δυνατή η επίτευξη οποιουδήποτε συνδυασμού ενεργού και άεργου ισχύος [13][14]. Από το ισοζύγιο άεργου ισχύος είναι: 138

139 QC1= QF1 Qfilters1= = 41.76MVAr QC2= QF 2 Qfilters2= = 32.3MVAr Στο σύστημα που προσομοιώθηκε η άεργος ισχύς που παράγεται από τους VSC καταναλώνεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό στις φασικές αυτεπαγωγές. Η άεργος ισχύς που καταναλώνεται από τα τυλίγματα των ΜΣ προέρχεται από τους VSC και από τα ac φίλτρα. Τα ac συστήματα απορροφούν ένα σχετικά μικρό ποσό άεργου ισχύος. Οι VSC παρέχουν το μεγαλύτερο ποσοστό άεργου ισχύος(~75%) του συστήματος και έτσι δεν χρειάζεται αντιστάθμιση υψηλής άεργου ισχύος από ac φίλτρα και πυκνωτές διόρθωσης όπως συμβαίνει στα CSC-HVDC συστήματα. Όσο αφορά την ενεργό ισχύ, απώλειες ισχύος στους ΜΣ είναι της τάξης των 3 MW και οι ΜΣ έχουν συντελεστή απόδοσης 99.5%. Αυτές οι απώλειες είναι οι απώλειες χαλκού ενώ δεν περιλαμβάνουν τις απώλειες σιδήρου, απώλειες υστέρησης και δινορρευμάτων, διότι οι ΜΣ προσομοιώθηκαν χωρίς την επιλογή saturable core. Οι απώλειες σιδήρου σε ένα τυπικό ΜΣ εκτιμώνται στο 2% των απωλειών χαλκού [71]. Οι απώλειες ισχύος στην αντίσταση των φασικών αυτεπαγωγών είναι περίπου 2.3MW και οι αμελητέες απώλειες ισχύος εξαιτίας των ac φίλτρων οφείλονται στα ζωνοπερατά φίλτρα καθώς τα φίλτρα τύπου C δεν καταναλώνουν ενεργό ισχύ. Μπορούν επίσης να οριστούν ως απώλειες ισχύος, η ισχύς που καταναλώνεται στις επαγωγικές αντιδράσεις των φίλτρων εξαιτίας των αρμονικών ρευμάτων ως εξής: P R = I X Q 2 n n Όπου Ι n το αρμονικό ρεύμα της n αρμονικής, X n η επαγωγική αντίδραση του φίλτρου στην n αρμονική και Q ο συντελεστής ποιότητας του φίλτρου. Ο ανορθωτής έχει απώλειες ισχύος 6.45 MW και συντελεστή απόδοσης 98.81%, και ο αντιστροφέας έχει απώλειες ισχύος 5.8 MW και συντελεστή απόδοσης 99%. Οι απώλειες ισχύος σε ένα VSC τριών επιπέδων είναι οι εξής [71][72]: Απώλειες αγωγής: Οφείλονται στην πτώση τάσης κατά την αγωγή των διακοπτικών συσκευών και για ένα IGBT ή μια δίοδο υπολογίζονται από την σχέση P = V I + I R 2 on f αv rms on (Σχέση 4.19) V f τάση κατωφλίου συσκευής I av μέσο ρεύμα συσκευής σε ένα κύκλο της συχνότητας της ισχύος I rms rms ρεύμα κατά την περίοδο αγωγής σε ένα κύκλο της συχνότητας της ισχύος R on αντίσταση αγωγής Απώλειες μετάβασης: Κατά την διάρκεια έναυσης και σβέσης τα IGBTs υφίστανται υψηλά ρεύματα και τάσεις. Οι χρόνοι ανόδου και οι χρόνοι καθόδου των IGBT όπως και η f s καθορίζουν τις απώλειες μετάβασης. H διαδικασία έναυσης και σβέσης του διακόπτη περιγράφεται στο σχήμα 139

140 Σχήμα 138: Απώλειες μετάβασης IGBT Υπάρχουν f s μεταβατικά φαινόμενα έναυσης και σβέσης ανά λεπτό,συνεπώς οι απώλειες μετάβασης δίνονται από την σχέση 1 Ps = Vd Io fs ( tc( on) + tc( off )) (Σχέση 4.2) 2 Οι απώλειες μετάβασης μπορούν επίσης να υπολογιστούν μέσω χαρακτηριστικών απωλειών μετάβασης που δίνονται από τον κατασκευαστή όπως εδώ [71]. Για τις διόδους λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες σβέσης ή αποκατάστασης(reverse recovery loss). Αυτές προκύπτουν κατά την σβέση της διόδου από το φορτίο αποκατάστασης που περνάει από την κάθοδο στην άνοδο μόλις το ρεύμα μηδενιστεί. Οι απώλειες σβέσης αυξάνονται με το ρεύμα που διέρρεε την δίοδο πριν την σβέση σύμφωνα με την χαρακτηριστική του σχήματος 139. Σχήμα 139: Απώλειες σβέσης διόδου συναρτήσει του ρεύματος Άλλες απώλειες: Αυτές είναι απώλειες που οφείλονται στην μονάδα τροφοδότησης παλμών, στα snubber κυκλώματα και σε άλλα προστατευτικά μέσα των διακοπτών. 14

141 Στο μοντέλο οι VSC είναι σχεδόν ιδανικοί, διότι οι χρόνοι ανόδου και καθόδου δεν προσομοιώνονται, συνεπώς δεν υπάρχουν απώλειες μετάβασης. Επίσης οι τάσεις κατωφλίου των IGBT και των διόδων επιλέχθηκαν μηδενικές. Έτσι οι απώλειες αγωγής των IGBT και των διόδων δίνονται από τον δεύτερο παράγοντα του τύπου με R on =1mΩ. Η επίδραση των snubber κυκλωμάτων στην μεταφερόμενη ισχύ είναι αξιοσημείωτη όπως διαπιστώθηκε στην παράγραφο 6. Η απώλεια ισχύος σε κάθε RC snubber που είναι συνδεδεμένο παράλληλα σε ένα IGBT ή δίοδο δίνεται κατά προσέγγιση από την σχέση P = C V f (Σχέση 4.21) [73]. 2 loss s s Στα dc καλώδια και στις αυτεπαγωγές εξομάλυνσης οι απώλειες ισχύος είναι 18.18MW, οι οποίες αποτελούν τις μεγαλύτερες απώλειες ισχύος του συστήματος. Η χρήση υπεραγώγιμων καλώδιων υψηλής θερμοκρασίας (HTS cables) θα ελαχιστοποιούσε τις απώλειες ισχύος στην γραμμή, ενώ το επιπλέον κόστος που εισάγουν σε σχέση με τα συμβατικά καλώδια αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι μπορούν να μεταφέρουν την ίδια σε ισχύ σε χαμηλότερη τάση. Άρα με μικρότερη τάση λειτουργίας μειώνουν το κόστος των VSC [74]. Η ελαχιστόποιηση του ac ρεύματος στο άκρο παραλαβής (ac σύστημα 2) είναι σημαντική για λόγους κόστους και ελαχιστοποίησης των απωλειών. Σύμφωνα με την ανάλυση που γίνεται εδώ [35] υποθέτοντας ότι η σύνθετη αντίσταση του ac σύστηματος 2 είναι μια εν σειρά αυτεπαγωγή, πρέπει να ικανοποιείται η συνθήκη V V P X = 1 + (Σχέση 4.22). 2 2 B2 B2 ac 4 ac2 Vac 2 Αντικαθιστώντας τα μεγέθη σε pu * Το οποίο σημαίνει ότι η τάση στον ζυγό B2 πρέπει να μειωθεί κατά.45pu (1.8kV) μέσω του ΜΣ του αντιστροφέα για την επίτευξη του ελάχιστου ρεύματος στο ac σύστημα 2. Τα ac συστήματα 1 και 2 απορροφούν συγκριτικά μικρή άεργο ισχύ και έχουν σχεδόν Q μοναδιαίους συντελεστές ισχύος που προκύπτουν από την σχέση tanϕ =, και είναι P αντίστοιχα cosφ 1 =cosφ 2=.999. Από τις ενεργές ισχείς στα PCC, το VSC-HVDC σύστημα έχει βαθμό απόδοσης 59.17/549.46=92.66%. Στις επόμενες παραγράφους θα μελετηθεί η δυναμική απόδοση αυτού του VSC-ΗVDC συστήματος. Συγκεκριμένα θα προσομοιώθουν βηματικές αλλαγές της ενεργού ισχύος, της άεργου ισχύος, της dc τάσης, της ac τάσης, αντιστροφή ισχύος, dc σφάλματα στην γραμμή μεταφοράς, συμμετρικά και ασύμμετρα ac σφάλματα. 141

142 4.8 Βηματικές αλλαγές και αντιστροφή της ροής ισχύος Οι ακόλουθες βηματικές αλλαγές εφαρμόζονται μέσω των αναφορών των ελεγκτών και της ρυθμιζόμενης ac τάσης στο σύστημα 1: Στο 1.3s η ενεργός ισχύς στο PCC του ανορθωτή μεταβάλλεται από 1.1pu σε.5 pu και επανέρχεται στην αρχική τιμή της στο 2.2s. Στο 1.7s η άεργος ισχύς στο PCC του ανορθωτή μεταβάλλεται από -.42pu σε.25pu και επανέρχεται στην αρχική τιμή της στο 2s. Στο 2.5s η dc τάση στον αντιστροφέα μεταβάλλεται από 1pu σε 1.1pu για.2s. Στο 3s η ac τάση του ac συστήματος 1 παρουσιάζει βύθιση -.2pu για.2s. Στο 3.4s η ενεργός ισχύς μεταβάλλεται από 1.1 pu se -.7 pu μέσω ράμπας αναφοράς προσομοιώνοντας την αντιστροφή της ροής ισχύος. Αυτού του ειδούς οι μεταβολές, εκτός από την βύθιση τάσης που θεωρείται διαταραχή, μπορούν να εφαρμοστούν στο VSC-HVDC σύστημα από τον διαχειριστή του συστήματος. 1.5 P_meas Pref p.u Offset= (secs).2 Q_meas Qref p.u Offset= (secs) 142

143 1 p.u..5 Uf_meas Offset= (secs) 1 Iv_d Iref_d.5 p.u Offset= (secs) p.u. Iv_q Iref_q Offset= (secs) 1 Mod_index Offset= (secs) Σχήμα 14: Απόκριση ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων,ρευμάτων dq και συντελεστή διαμόρφωσης του VSC ανορθωτή σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος. 143

144 1 ka -1 Idc_P Idc_N Offset= (secs) p.u..8 Udc_meas Udref Offset= (secs) 1 p.u. P_meas Offset= (secs) 1 p.u. Iv_d Iref_d Offset= (secs) p.u. Iv_q Iref_q -.5 Offset= (secs)

145 1 p.u..5 Uf_meas Offset= (secs) 1 Mod_index Offset= (secs) Σχήμα 141: Aπόκριση dc ρευμάτων πόλων, dc τάσης, ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων,ρευμάτων dq και συντελεστή διαμόρφωσης του VSC αντιστροφέα σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος. Η σταθεροποίηση της ενεργού ισχύος μετά από την επιβολή του βήματος στην αναφορά της επέρχεται σε.14s και σε.7s μετά την επαναφορά της αναφοράς της. Η μεταβολή της ενεργού ισχύος αντανακλάται στις συνιστώσες d των ac ρευμάτων και στα dc ρεύματα. Οι μεταβολές της ενεργού ισχύος προκαλούν επίσης μικρά μεταβατικά φαινόμενα στην dc τάση και στις ac τάσεις. Η απόκριση στην μεταβολή της τιμής και της ροής της άεργου ισχύος στο PCC του ανορθωτή είναι γρήγορη και αντανακλάται στην συνιστώσα q του ac ρεύματος και της ac τάσης του ανορθωτή, ενώ δεν επηρεάζει την άεργο ισχύ και τα αντίστοιχα μεγέθη στον αντιστροφέα αποδεικνύοντας ότι οι μετατροπείς στο VSC-HVDC σύστημα ελέγχουν την άεργο ισχύς τους ανεξάρτητα. Η τάση στον ζυγό φίλτρων του ανορθωτή μειώνεται όταν η άεργος ισχύς στον ζυγό των φιλτρών απορροφάται από τον ανορθωτή και αυξάνεται όταν η άεργος ισχύς παρέχεται στον ζυγό των φίλτρων από τον ανορθωτή. Ο έλεγχος της άεργου ισχύος είναι σημαντικός γιατί η τάση του συστήματος εξαρτάται από την άεργο ισχύ και έτσι για την διασφάλιση της σταθερότητας της τάσης είναι απαραίτητος ένας μηχανισμός προσαρμογής, παροχής ή απορρόφησης, της άεργου ισχύος. Αυτός ο μηχανισμός μπορεί επίσης να είναι και ένας ac ελεγκτής τάσης με είσοδο την ac τάση και έξοδο την αναφορά της συνιστώσα q του ac ρεύματος. Επίσης φαίνεται ότι oι αλλαγές της άεργου ισχύος προκαλούν μεταβατικά φαινόμενα στην dc τάση, βέβαια πολύ μικρότερα από τα μεταβατικά φαινόμενα στην dc τάση που προκαλούν οι αλλαγές στην ενεργό ισχύ. Οι διακυμάνσεις της άεργου ισχύος είναι δυνατόν να περιοριστούν αν τα όρια στους ολοκληρωτικούς ελεγκτές άεργου ισχύος,τα οποία στην προσομοίωση είναι [-.5pu.5pu], μειωθούν περαιτέρω. Οι βηματικές μεταβολές της ενεργού ισχύος δεν επηρεάζουν την άεργο ισχύ και αντίστοιχα οι μεταβολές της άεργου ισχύος δεν επηρεάζουν την ενεργό ισχύ, εκτός από την εμφάνιση 145

146 κάποιων μικρών μεταβατικών φαινομένων, αποδεικνύοντας έτσι ότι ο έλεγχος της ενεργού ισχύος είναι ανεξάρτητος από τον έλεγχο της αέργου ισχύος. Στην πραγματικότητα ο διαχειριστής του συστήματος εφαρμόζει τις αλλαγές στην ενεργό και στην άεργο ισχύ με αργό ρυθμό μέσω ελεγκτών και όχι ακαριαία, με αποτέλεσμα αυτά τα μεταβατικά φαινόμενα να ελαχιστοποιούνται. Η dc τάση ακολουθεί την βηματική αλλαγή της αναφοράς της πολύ γρήγορα και παρουσιάζει ένα peak στο 2.5s. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του ειδικού ελέγχου dc voltage override. Το μέγιστο όριο της dc τάσης στο dc voltage control override είναι ορισμένο στο 1.1 pu. Έτσι παράγει μια αρνητική έξοδο με σκοπό να μειώσει την ενεργό ισχύ και κατά συνέπεια την dc τάση και το dc ρεύμα. Η dc τάση βέβαια διατηρείται στο επίπεδο της βηματικής αλλαγής από τον ελεγκτή της dc τάσης, ενώ η ενεργός ισχύς και το dc ρεύμα μειώνονται σημαντικά. Αν είναι επιθυμητή η λειτουργία του συστήματος σε διαφορετικό επίπεδο dc τάσης, τότε μπορούν να αυξηθούν τα όρια του dc voltage control override και έτσι να διατηρείται η ενεργός ισχύς μετά από την αλλαγή της dc τάσης. Η βύθιση τάσης που προκαλείται από το ac σύστημα 1 έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της ενεργού ισχύος στο σύστημα και ένα μεταβατικό φαινόμενο στην dc τάση που εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος του πυκνωτή. Παρατηρείται επίσης αύξηση της άεργου ισχύος στο PCC του ανορθωτή. Αυτό συμβαίνει επειδή η τάση στο PCC γίνεται μικρότερη από.9 pu και έτσι ο ειδικός έλεγχος AC Voltage control override στον ανορθωτή παρακάμπτει τον ολοκληρωτικό ελεγκτή άεργου ισχύος αυξάνοντας την άεργο ισχύ που παρέχεται από τον ανορθωτή. Η βύθιση της τάσης στο ac σύστημα του ανορθωτή δεν έχει επίδραση στη ac τάση του αντιστροφέα. Αν προσαρμοστεί ο έλεγχος του ανορθωτή έτσι ώστε να είναι - όρια ελεγκτή ενεργού ισχύος [P max,p min ] = [1.1pu, 1.1pu] - όρια ελεγκτή άεργου ισχύος [Q max,q min ]=[.5pu, -.5pu] - όρια ειδικού ελέγχου Dc Voltage control override [U dcmax,u dcmin ]=[1.1pu,1pu] - όρια ειδικού ελέγχου Ac Voltage control override [U PCCmax,U PCCmin ]=[1.5pu,.95pu] - όρια εσωτερικού ελεγκτή ρεύματος [ Ι dref, I qref ] = [ 1.35pu,.8pu ] τότε η απόκριση του συστήµατος φαίνεται στις κυµατοµορφές του σχήµατος

147 1 p.u..5 P_meas Pref Offset= (secs).4.2 Q_meas Qref p.u Offset= (secs) 2 p.u. Iabc_B1 A Iabc_B1 B -2 Iabc_B1 C Offset= (secs) 1 p.u..5 Uf_meas 3 Offset= (secs) p.u..5 Iv_d Iref_d Offset= (secs) Σχήμα 142: Απόκριση ενεργού και άεργου ισχύος,τριφασικού ρεύματος στο PCC,τάσης ζυγού φίλτρων και συνιστώσας d ρεύματος του VSC ανορθωτή στην βύθιση τάσης με τροποποιημένες παραμέτρους ελέγχου 147

148 Κατά την διάρκεια της βύθισης της τάσης ο ελεγκτής ενεργού ισχύος διατηρεί την αναφορά της ενεργού ισχύος, ενώ η αύξηση του ορίου της συνιστώσας d του ρεύματος του μετατροπέα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της αναφοράς της συνιστώσας d, συνεπώς και του πραγματικού ρεύματος του μετατροπέα και της ενεργού ισχύος. Ο VSC μέσω του ελέγχου μπορεί να διατηρήσει το επίπεδο της μεταφερόμενης ισχύος κατά την διάρκεια της βύθισης της τάσης αυξάνοντας το ρεύμα του μετατροπέα. Η αντιστροφή της ροής της ισχύος στο σύστημα εφαρμόζεται ομαλά μέσω ράμπας ενεργού και έτσι τα μεταβατικά φαινόμενα είναι αμελητέα. Παρατηρείται ότι αν και τα dc ρεύματα στους πόλους αλλάζουν φορά, η πολικότητα της dc τάσης παραμένει σταθερή, σε αντίθεση με τα CSC-HVDC συστήματα στα οποία για την αντιστροφή της ροής ισχύος είναι απαραίτητη η αλλαγή της πολικότητας της dc τάσης. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει την χρήση νέου τύπου καλωδίων,όπως τα XLPE dc καλώδια. Τέλος φαίνονται οι τιμές των συντελεστών διαμόρφωσης πλάτους των μετατροπέων κατά την διάρκεια όλων των μεταβολών. 4.9 Dc σφάλματα και dc προστασία Ένα από τα βασικά μειονεκτήματα των VSC-HVDC συστημάτων είναι ότι δεν μπορούν να καταστείλουν τα dc σφάλματα. Στην περίπτωση dc σφάλματος οι αντιπαράλληλες δίοδοι του VSC συμπεριφέρονται σαν μη ελεγχόμενος ανορθωτής, ακόμα και αν τα IGBTs είναι μπλοκαρισμένα, με αποτέλεσμα να τροφοδοτούν το σφάλμα. Σε αντίθεση με αντίθεση με τα CSC-HVDC συστήματα που έχουν μεγάλη αυτεπαγωγή εξομάλυνσης και λειτουργία ελέγχου VDCOL, η μικρή αυτεπαγωγή εξομάλυνσης των VSC-HVDC συστημάτων, η έλλειψη ειδικού ελέγχου περιορισμού ρεύματος και η εκφόρτιση των dc πυκνωτών οδηγούν σε ανεξέλεγκτη αύξηση του dc ρεύματος. Συνεπώς απαιτείται η γρήγορη αποσύζευξη της dc και της ac πλευράς [58]. Τα dc σφάλματα στα καλώδια προκαλούνται συνήθως από μηχανικές καταπονήσεις και είναι μόνιμα και έτσι χρειάζεται μια χρονοβόρα επισκευή. Σε αυτή την περίπτωση οι μετατροπείς πρέπει να μπλοκαριστούν αμέσως για να μην καταστραφούν τα διακοπτικά στοιχεία τους. Στις εναέριες γραμμές τα dc σφάλματα σχεδόν πάντα από κεραυνούς και μόλυνση και είναι παροδικά. Συνεπώς είναι σημαντική η γρήγορη αποκατάσταση της στάσιμης κατάστασης μετά την εκκαθάριση του σφάλματος [76]. Τα κυριότερα dc σφάλματα είναι τα εξής [57][76]: Βραχυκύκλωμα μεταξύ πόλου και γης (line to ground fault) : Το βραχυκύκλωμα μεταξύ πόλου, θετικού ή αρνητικού, και γης μπορεί να συμβεί στις εναέριες γραμμές αν ένας κεραυνός χτυπήσει την γραμμή με αποτέλεσμα να σπάσει και να πέσει στο έδαφος. Τότε θα πρέπει να απομονωθεί η γραμμή και να επισκευαστεί καθώς το σφάλμα είναι μόνιμο. Είναι δυνατόν να πέσει ένα αντικείμενο πάνω στην γραμμή, όπως ένα δέντρο, και έτσι να δημιουργήσει το σφάλμα προσφέροντας αγώγιμο μονοπάτι προς το έδαφος. Αν το αντικείμενο έρθει σε επαφή με την γραμμή για μικρό χρονικό διάστημα τότε το σφάλμα είναι παροδικό, διαφορετικά το σφάλμα είναι μόνιμο και η γραμμή θα πρέπει πάλι να απομονωθεί. Τα υπόγεια καλώδια από την άλλη είναι ανθεκτικά σε αυτού του είδους τα σφάλματα καθώς η μόνωση χωρίζει τους αγωγούς από την γη. Παρ όλα αυτά, παράγοντες όπως η 148

149 γήρανση των καλώδιων, η διάβρωση τους από το περιβάλλον, η εσφαλμένη εγκατάσταση, υπερρεύματα και υπερτάσεις είναι πιθανόν να διασπάσουν την μόνωση και να προκαλέσουν το σφάλμα. Σχήμα 143: Ροή ρεύματος βραχ/σης στον VSC σε σφάλμα πόλου-γης Στο σχήμα φαίνεται η κυκλοφορία του ρεύματος μετά το σφάλμα μεταξύ πόλου και γης. Η πρώτη συνέπεια είναι η απότομη εκφόρτιση του dc πυκνωτή που προκαλεί πολύ υψηλό ρεύμα και μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ζημιές στην ac και dc πλευρά. Επίσης η τάση στον υγειή πόλο αυξάνεται ραγδαία και είναι απαραίτητη η χρήση εκτροπέα υπέρτασης για την προστασία του dc πυκνωτή. Η ισορροπία της dc τάσης στους πόλους είναι σημαντικό να αποκατασταθεί μετά από την εκκαθάριση του σφάλματος. Μερικές μέθοδοι αποκατάστασης αυτής της ισορροπίας προτείνονται εδώ [76]. Βραχυκύκλωμα μεταξύ των πόλων (line to line fault) : Όπως και στο βραχυκύκλωμα μεταξύ πόλου και γης, το βραχυκύκλωμα μεταξύ των πόλων είναι λιγότερο πιθανό να συμβεί σε καλώδια με μόνωση, όμως δεν είναι απίθανο που διασπαστεί η μόνωση των καλωδίων των δύο πόλων. Στις εναέριες γραμμές αν ένα αντικείμενο,όπως ένα δέντρο, γεφυρώσει τις γραμμές τότε συμβαίνει το σφάλμα μεταξύ των δύο πόλων. Είναι πιθανόν επίσης εξαιτίας σφάλματος του συστήματος ελέγχου έναυσης και σβέσης των IGBTs με αποτέλεσμα να βραχυκυκλωθεί ένα σκέλος του VSC και έτσι να βραχυκυκλωθούν οι dc πόλοι. Σχήμα 144: Ροή ρεύματος βραχ/σης στον VSC σε σφάλμα πόλου-πόλου Στο σχήμα φαίνεται η κυκλοφορία του ρεύματος μετά το βραχυκύκλωμα μεταξύ των δύο πόλων. Η εκφόρτιση και των dc πυκνωτών συμβάλλει στην εκτόξευση του dc ρεύματος. Παρατηρείται ότι ακόμα και στην περίπτωση που τα IGBTs του VSC μπλοκαριστούν, το ac σύστημα παραμένει βραχυκυκλωμένο μέσω των αντιπαράλληλων διόδων το οποίο 149

150 σημαίνει ότι το ac σύστημα θα συνεχίσει να τροφοδοτεί στο σφάλμα. Για αυτό το λόγο, εκτός από το μπλοκάρισμα του μετατροπέα, είναι απαραίτητο να απομονωθεί η dc πλευρά. Υπερρεύματα και υπερτάσεις ενδέχεται επίσης να συμβούν στην dc πλευρά εξαιτίας άλλων αιτιών όπως είναι η υπερφόρτιση (αύξηση μεταφερόμενης ισχύος πέρα από τις προδιαγραφέας των VSC), η απώλεια μετατροπέα, ασύμμετρες ac τάσεις, τα σφάλματα στο σύστημα ελέγχου ή άλλα μεταβατικά φαινόμενα. Οι υπερτάσεις αντιμετωπίζονται κυρίως με εκτροπείς υπερτάσεων και τα υπερρεύματα με διάφορα μέσα προστασίας, ένα από τα οποία είναι ο υπεραγώγιμος περιοριστής ρεύματος, όπως εξηγήθηκε στην παράγραφο 6. Στην παράγραφο 6 εξηγήθηκε ο συμβατικός τρόπος προστασίας της dc πλευράς που πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρονόμων και ac ΔΙ, o oποίος είναι φθηνός και λόγω της ευρείας εφαρμογής του είναι γνώριμος. Από την άλλη η προστασία της dc πλευράς με συσκευές όπως είναι οι dc ΔΙ έχει τα πλεονεκτήματα ότι αντιδρά γρηγορότερα στα σφάλματα και μπορεί να απομονώσει τις dc γραμμές στις οποίες συμβαίνει το σφάλμα. Έτσι οι υγιείς γραμμές μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν, το οποίο είναι ιδιαιτερό σημαντικό στα πολυτερματικά δίκτυα. Σχήμα 145: Bασική διάταξη ενός HVDC ΔΙ Το μονοπάτι ονομαστικού ρεύματος (nominal current path) αποτελείται από ένα αποζεύκτη με χαμηλές απώλειες αγωγής, οι μεταλλικές επαφές του οποίου όταν ανοίξουν, δημιουργούν ένα ηλεκτρικό τόξο και η αντίστοιχη τάση χρησιμοποιείται για την μεταγωγή του ρεύματος στο μονοπάτι απορρόφησης ενέργειας (energy absorption path). Το πλεονέκτημα είναι ότι ο αποζεύκτης στο μονοπάτι ονομαστικού ρεύματος χρειάζεται να δημιουργήσει μόνο μια τάση ικανή για την μεταγωγή και όχι μια αντίστροφη τάση στο σύστημα. Το μονοπάτι μεταγωγής αποτελείται από ένα LC έτσι ώστε να μπορεί να συμβεί 1 ένα ρεύμα ταλάντωσης στην φυσική συχνότητα ω= ανάμεσα στο μονοπάτι LC ονομαστικού ρεύματος και στο μονοπάτι μεταγωγής. Όταν το ρεύμα του ρεύματος ταλάντωσης i n είναι μεγαλύτερο από το ρεύμα Ι ο, τότε ένας μηδενισμός ρεύματος συμβαίνει στο μονοπάτι ονομαστικού ρεύματος και ο διακόπτης S n μπορεί να διακόψει το ρεύμα. Το ρεύμα Ι ο συνεχίζει να ρέει στο μονοπάτι μεταγωγής φορτίζοντας τον πυκνωτή. Αν η τάση του πυκνωτή υπερβεί ένα όριο, το μονοπάτι απορρόφησης ενέργειας λαμβάνει 15

151 δράση και περιορίζει το I o. H λειτουργία του HVDC ΔΙ εξηγείται αναλυτικότερα με το παράδειγμα του σχήματος 146. Σχήμα 146: Λειτουργία HVDC ΔΙ κατά την διάρκεια σφάλματος Την χρονική στιγμή t o συμβαίνει το σφάλμα και το I o αρχίζει να αυξάνεται. Την χρονική στιγμή t 1 ανοίγουν οι επαφές του αποζεύκτη στο μονοπάτι ονομαστικού ρεύματος και ξεκινά μια ταλάντωση του ρεύματος σύμφωνα με την χαρακτηριστική της τάσης του ηλεκτρικού τόξου. Την χρονική στιγμή t 2 το πλάτος της ταλάντωσης είναι αρκετά μεγάλο ώστε το i n να περάσει από το και να ανοίξει ο S n. Το ρεύμα φορτίζει γρήγορα τον πυκνωτή μέχρι ένα όριο τάσης, το οποίο ενεργοποιεί την αγωγή ρεύματος στις μη γραμμικές αντιστάσεις στο μονοπάτι απορρόφησης ενέργειας την χρονική t 3. Εναλλακτικά μπορούν να εισαχθούν την ίδια χρονική στιγμή με ένα διακόπτη S e γραμμικές αντιστάσεις ή άλλα στοιχεία που μηδενίζουν το ρεύμα [58]. Οι εξελιγμένοι τύποι dc ΔΙ είναι οι εξής: ΔΙ τύπου solid-state: Αποτελούνται από ημιαγωγικά στοιχεία και χρησιμοποιούνται τόσο σε υψηλή dc τάση όσο και χαμηλότερα επίπεδα dc και ac τάσης. Το πλεονέκτημα τους είναι η ταχύτητα διακοπής τους που μπορεί να είναι μερικά μs και το βασικότερο μειονέκτημα τους είναι οι απώλειες αγωγής, οι οποίες είναι μεγαλύτερες συγκριτικά με ένα μηχανικό διακόπτη. Διάφορες διατάξεις πολλών ΔΙ τύπου solid-state εν σειρά ή παράλληλα εφαρμόζονται έτσι ωστέ ο ΔΙ να αντέχει την ονομαστική dc τάση και το ονομαστικό dc ρεύμα. Ένας εκτροπέας υπερτάσεων προστατεύει τις συσκευές από τις υπερτάσεις [58]. 151

152 Σχήμα 147: HVDC ΔΙ τύπου solid-state Υβριδικός ΔΙ ( hybrid circuit breaker) : O υβριδικός ΔΙ περιλαμβάνει έναν επιπλέον κλάδο ο οποίος αποτελείται από ένα γρήγορο αποζεύκτη (ultra fast disconnector) εν σειρά με ένα διακόπτη μεταγωγής βασισμένο σε ημιαγωγικά στοιχεία (load commutation switch). Ο κύριος διακόπτης (main breaker) αποτελείται από πολλά ημιαγωγικά στοιχεία εν σειρά με εκτροπείς υπερτάσεων παράλληλα ώστε να αντέχει υψηλές τάσεις και ρεύματα, ενώ ο μηχανικός διακόπτης έχει χαμηλότερες προδιαγραφές. Κατά την κανονική λειτουργία το ρεύμα ρέει μέσω του πρόσθετου κλάδου και το ρεύμα στον κύριο διακόπτη είναι μηδέν. Όταν συμβεί ένα σφάλμα, γίνεται μεταγωγή του ρεύματος στον κύριο κλάδο μέσω του διακόπτη μεταγωγής και ανοίγει ο γρήγορος αποζεύκτης. Όσο είναι ανοιχτός ο μηχανικός διακόπτης, ο κύριος διακόπτης μηδενίζει το σφάλμα. Μόλις εκκαθαριστεί το σφάλμα, ένας ακόμη διακόπτης (residual current disconnecting CB) απομονώνει την dc γράμμη από το dc δίκτυο για να προστατέψει τον υβριδικό ΔΙ από υπερθέρμανση. Ο υβριδικός ΔΙ έχει μικρότερες απώλειες και μεγαλύτερο χρόνο διακοπής συγκριτικά με τον ΔΙ τύπου solid-state [77][58]. Σχήμα 148: Υβριδικός HVDC ΔΙ ΔΙ με συνδυασμό ημιαγωγικών στοιχείων: Αυτοί οι ΔΙ χρησιμοποιούν διατάξεις ημιαγωγών( IGBTs,IGCTs,διόδους κ.α.) για να διακόψουν το σφάλμα. Μια τέτοια διάταξη είναι ο IGBT ΔΙ του οποίου η τοπολογία φαίνεται στο σχήμα

153 Σχήμα 149: IGBT ΔΙ Ο σκοπός του είναι να απομονώσει την dc γραμμή και τον μετατροπέα εγκαίρως σε περίπτωση dc σφάλματος έτσι ώστε το ac σύστημα να σταματήσει να τροφοδοτεί το σφάλμα μέσω των αντιπαράλληλων διόδων του VSC. Χρησιμοποιώντας IGBTs με αντιπαράλληλες διόδους, στην κανονική λειτουργία το ρεύμα ρέει μέσω των IGBTs του τερματικού αποστολής και μέσω των διόδων του τερματικού παραλαβής. Όταν συμβεί το dc σφάλμα, το ρεύμα εκφόρτισης των πυκνωτών θα αναγκάσει τα IGBTs να απενεργοποιηθούν και να πραγματοποιήσουν την απομόνωση των πόλων. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ταχύτερη επαναφορά του συστήματος σε σχέση με την ac προστασία όπου απαιτείται άνοιγμα και κλείσιμο των ac ΔΙ εώς ότου εκκαθαριστεί το dc σφάλμα. Ο χρόνος αντίδρασης των IGBT ΔΙ είναι μικρότερος από αυτών των ac ΔΙ. Επίσης δεν χρειάζεται η απενεργοποίηση όλου του συστήματος σε περίπτωση dc σφάλματος και το σύστημα μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί με ένα πόλο σε περίπτωση σφάλματος πόλου-γης. Σε συνδυασμό με τους IGBT ΔΙ μπορούν να χρησιμοποιηθούν γρήγοροι αποζεύκτες οι οποίοι απομονώνουν την γραμμή αφού εκκαθαριστεί το σφάλμα για να αποφευχθούν φαινόμενα υπερθέρμανσης [57][76]. Το μειονέκτημα των IGBT ΔΙ είναι ότι αν και προστατεύουν επαρκώς αν το σφάλμα συμβεί στην πλευρά της dc γράμμης, δεν μπορούν να προστατέψουν στην περίπτωση που το σφάλμα συμβεί εντός του μετατροπέα (converter dc rail fault). Βέβαια η συχνότητα αυτών των σφαλμάτων είναι μικρότερη και είναι λιγότερο σοβαρά από τα σφάλματα στην dc γραμμή. Για να αντιμετωπιστούν τα σφάλματα εντός του VSC μπορεί να τροποποιηθεί η διάταξη των διακοπτικών στοιχείων του VSC με την αντικατάσταση των αντιπαράλληλων διόδων με συσκευές ETO (emitter turn off). Στο σχήμα 15 φαίνεται η διάταξη της συσκευής ΕΤΟ, η οποία είναι ένας συνδυασμός GTO και MOSFET διακοπτών, και η σύνδεση της στον VSC. 153

154 Σχήμα 15: Ισοδύναμο κύκλωμα συσκευής ETO και αντικατάσταση της αντιπαράλληλης διόδου του IGBT με ΕΤΟ. Οι συσκευές ΕΤΟ έχουν υψηλότερες προδιαγραφές τάσης και ρεύματος από τα IGBTs και ικανότητα διακοπής υψηλών ρευμάτων.τo Mosfet εν σειρά με την κάθοδο χρησιμοποιείται σαν αισθητήρας ρεύματος και απενεργοποιεί το GTO όταν το ρεύμα υπερβεί το όριο. Στην κανονική λειτουργία συμπεριφέρονται όπως οι αντιπαράλληλες δίοδοι ενώ όταν συμβεί ένα σφάλμα τα IGBTs απενεργοποιούνται και οι συσκευές ETO συνεχίζουν να άγουν. Αυτή η τεχνική δίνει αρκετό χρόνο ώστε να διευκρινιστεί αν το σφάλμα είναι μόνιμο ή παροδικό. Αν είναι μόνιμο οι συσκευές ΕΤΟ απενεργοποιούνται μέσω σημάτων ελέγχου και απενεργοποιείται πλήρως ο VSC [78][57]. Στην συνέχεια θα προσομοιωθούν δύο παροδικά διαδοχικά dc σφάλματα και θα χρησιμοποιηθoύν IGBT ΔΙ για την προστασία του συστήματος. Το μοντέλο των IGBT ΔΙ φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 151: Μοντέλο για την προσομοίωση του IGBT ΔΙ και των dc σφαλμάτων Τα IGBTs και οι δίοδοι της βιβλιοθήκης Simpowersystems που χρησιμοποιούνται έχουν αντίσταση αγωγής 1μΩ και ωμικά snubber 1ΜΩ, ενώ έχουν μηδενική τάση λειτουργίας και τα IGBTs μηδενικούς χρόνους μετάβασης. Τα dc σφάλματα προσομοιώνονται με απλούς διακοπτές (αντίσταση σφάλματος 1Ω). Στο 1.5s συμβαίνει το dc σφάλμα πόλου-γης διάρκειας 2 κύκλων και στο 2.8 το dc σφάλμα μεταξύ των πόλων στην πλευρά του 154

155 αντιστροφέα διάρκειας 2 κύκλων. Μια γεννήτρια παλμών τροφοδοτεί με παλμούς τα IGBTs προσομοιώνοντας ταυτόχρονα την δράση των ηλεκτρονόμων. Έτσι στην κανονική λειτουργία τροφοδοτεί τα IGBTs με παλμούς ώστε να άγουν, στο 1.52s (1 κύκλο μετά το πρώτο σφάλμα) απενεργοποιεί τα IGBTs για 3 κύκλους και στο 2.82 (1 κύκλο μετά το δεύτερο σφάλμα) απενεργοποιεί πάλι τα IGBTs για 3 κύκλους. 4 2 kv -2-4 Vdc P Vdc N Offset= (secs) 2 1 kv Pdc_meas Offset= (secs) 5 ka -5 Idc_P Idc_N Offset= (secs) 155

156 4 2 kv -2-4 Vdc P Vdc N Offset= (secs).4.2 p.u Udc mean Offset= (secs) Σχήμα 152: Απόκριση Dc τάσεων VSC ανορθωτή, dc ισχύος αποστολής,dc ρευμάτων, dc τάσεων VSC αντιστροφέα και ισορροπία dc τάσεων πόλων στα dc σφάλματα (με IGBT ΔΙ). 5 p.u. -5 Uf_abc A Uf_abc B Uf_abc C Offset= (secs) 5 p.u. Iv_abc A Iv_abc B Iv_abc C Offset= (secs) 156

157 2 p.u. Uf_abc A -2 Uf_abc B Uf_abc C Offset= (secs) 2 p.u. -2 Iv_abc A Iv_abc B Iv_abc C Offset= (secs) Σχήμα 153: Απόκριση τριφασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων και τριφασικού ρεύματος του VSC αντιστροφέα, τριφασικής τάσης στον ζυγό φίλτρων και τριφασικού ρεύματος του VSC ανορθωτή στα dc σφάλματα (με IGBT ΔΙ). Τα dc ρεύματα και στις περιπτώσεις των 2 σφαλμάτων εκτοξεύονται στα 6.7kA σε.2s από την εφαρμογή τους. Σε.2s από την εφαρμογή των σφαλμάτων δίνεται η εντολή από τους ηλεκτρονόμους στους IGBT ΔΙ και τα ρεύματα στους dc πόλους,κατά συνέπεια και η μεταφερόμενη ισχύς, μηδενίζονται ακαριαία λόγω της απομόνωσης της dc γραμμής. Η dc τάση στον αρνητικό πόλο στην περίπτωση του σφάλματος θετικού πόλου-γης υπερβαίνει τα -4kV. Ο έλεγχος ισορροπίας των dc τάσεων των πόλων επιτυγχάνει σχετικά γρήγορη αποκατάσταση της ισορροπίας των dc τάσεων μετα την εκκαθάριση του σφάλματος πόλουγης και ταχύτερη μετά από την εκκαθάριση του σφάλματος μεταξύ των πόλων. Μετά την επαναφορά του συστήματος με την τροφοδότηση παλμών στους IGBT ΔΙ παρατηρούνται μεταβατικά φαινόμενα στις dc τάσεις και στα dc ρεύματα,τα οποία αποσβένουν σε λιγότερο από.5s. Αυτά τα μεταβατικά φαινόμενα στα dc ρεύματα είναι εντονότερα στην περίπτωση του σφάλματος μεταξύ των πόλων. Οι αρμονικές που περιέχουν είναι μη χαρακτηριστικές. Όσο αφορά την ac πλευρά του αντιστροφέα που βρίσκεται πιο κοντά στα σφάλματα, η ac τάση ξεπερνάει τα 6pu στην περίπτωση του σφάλματος πόλου-γης και το ρεύμα τα 3pu κατά την διάρκεια της αποκατάστασης. Επίσης δημιουργείται ασυμμετρία φάσεων της τάσης και του ρεύματος. 157

158 Σχήμα 154: Ασυμμετρία τάσεων και ρευμάτων στην ac πλευρά του VSC αντιστροφέα Στην περίπτωση του σφάλματος μεταξύ των πόλων οι αντίστοιχες ac τάσεις και τα αντίστοιχα ρεύματα είναι μικρότερα. Τα ac ρεύματα κατά τα 2 σφάλματα στον ανορθωτή παρουσιάζουν αύξηση, μεγαλύτερη κατά το σφάλμα μεταξύ των πόλων, όπως και ασυμμετρία και μεγάλη παραμόρφωση. Η ac τάση αυξάνεται σημαντικά μετά από την εκκαθάριση του σφάλματος πόλου-γης, ενώ αποκαθίσταται ομαλότερα μετά από το σφάλμα μεταξύ των πόλων. Τα μεταβατικά φαινόμενα που προκαλούνται από το σφάλμα περιορίζονται με την ταχύτερη αντίδραση του ηλεκτρονόμου εφόσον οι IGBT ΔΙ αντιδρούν σχεδόν ακαριαία. Από την άλλη οι υπερτάσεις και τα υπερρεύματα κατά την αποκατάσταση στην ac πλευρά είναι δυνατόν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά με εκτροπείς υπερτάσεων και υπεραγώγιμους περιοριστές ρεύματος. 4.1 Ac σφάλματα και ac προστασία Προσομοιώνονται τα ακόλουθα ac σφάλματα: Τριφασικό σφάλμα 5 κύκλων στο PCC του ανορθωτή (1.5s) Tριφασικό σφάλμα 5 κύκλων στο PCC του αντιστροφέα (1.9s) Μονοφασικό σφάλμα 5 κύκλων της φάσης Α στο PCC του αντιστροφέα (2.3s) Σφάλμα μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β στο PCC του αντιστροφέα (2.7s) Για την προσομοίωση των τριφασικών σφαλμάτων και του μοναφασικού σφάλματος χρησιμοποιείται το στοιχείο Three-phase Fault και για την προσομοίωση του σφάλματος γραμμής-γραμμής ένας απλός διακόπτης. Η αντίσταση σφάλματος σε όλες τις περιπτώσεις είναι 1mΩ, ενώ το στοιχείο Three-Phase Fault έχει επιπλέον 1mΩ αντίσταση γείωσης. 158

159 Σχήμα 155: Μοντέλο για την προσομοίωση των ac σφαλμάτων στο VSC-HVDC σύστημα Uabc_B1 A Uabc_B1 B Uabc_B1 C 1 p.u Offset= (secs) 2 p.u. -2 Iabc_B1 A Iabc_B1 B Iabc_B1 C Offset= (secs) p.u..5 P_meas Pref Offset= (secs).4.2 p.u. -.2 Q_meas Qref Offset= (secs) 159

160 1.5 1 kv.5 Udc_meas Offset= (secs) 2 p.u. 1 Iv_d Iref_d Offset= (secs) 2 1 Mod_index Offset= (secs) 1 p.u. -1 Iv_q Iref_q Offset= (secs) kv Pdc_meas Offset= (secs) Σχήμα 156: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος, ενεργού και άεργου ισχύος στο PCC, dc τάσης, ρευμάτων dq, συντελεστή διαμόρφωσης και dc ισχύος αποστολής του VSC ανορθωτή στα ac σφάλματα. 16

161 2 1 ka Idc_P Idc_N Offset= (secs) p.u..5 Udc_meas Udref Offset= (secs) 1 p.u. P_meas Offset= (secs).4.2 p.u Q_meas Qref Offset= (secs) 161

162 Uabc_B2 A Uabc_B2 B Uabc_B2 C 1 p.u Offset= (secs) Iabc_B2 A Iabc_B2 B 2 Iabc_B2 C p.u Offset= (secs) 2 1 Mod_index Offset= (secs) 1 Iv_d Iref_d p.u Offset= (secs) 1 p.u. -1 Iv_q Iref_q Offset= (secs) Σχήμα 157: Απόκριση dc ρευμάτων πόλων, dc τάσης, ενεργού και άεργου ισχύος, τριφασικής τάσης και ρεύματος, συντελεστή διαμόρφωσης και ρευμάτων dq του VSC αντιστροφέα στα ac σφάλματα. 162

163 Κατά την διάρκεια του τριφασικού σφάλματος στο PCC του ανορθωτή η ενεργός ισχύς και η τάση στο PCC του μηδενίζoνται και το ρεύμα φτάνει στα 1.5 pu. Οι ταλαντώσεις του dc ρεύματος είναι έντονες κατά την διάρκεια του φαινομένου. Στον ζυγό των φίλτρων του ανορθωτή δημιουργείται μια παραμορφωμένη τάση πλάτους περίπου.3pu. H μεταβολή της ac τάσης,πιο συγκεκριμένα η μεταβολή της διαφοράς φάσης μεταξύ της τάσης του PCC και της τάσης του ανορθωτή, προκαλεί προσωρινή αντιστροφή ροή της dc ισχύος και πτώση της dc τάσης του ανορθωτή. Η πτώση της dc τάσης ενεργοποιεί τον ειδικό έλεγχο DC Voltage control override ο οποίος επιχειρεί να επαναφέρει την dc τάση στον αρχικό επίπεδο της, άρα και την dc ισχύ. Αυτό φαίνεται από την διατήρηση της συνιστώσας i d στο αρχικό επίπεδο της(1.1pu) κατά την διάρκεια του σφάλματος, παρά το γεγονός ότι ενεργός ισχύς στο PCC παραμένει μηδέν. Με την μείωση της τάσης αναφοράς V ref που είναι είσοδος στην γεννήτρια PWM του ανορθωτή, η dc τάση αποφεύγει την βύθιση κατά την διάρκεια του σφάλματος.h μείωση της V ref φαίνεται και στην μείωση του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους του ανορθωτή. Κατά την διάρκεια του σφάλματος η άεργος ισχύς στο PCC του ανορθωτή είναι μηδενική και ο έλεγχος περιορίζει την συνιστώσα i q στο μέγιστο όριο της (.8pu). Αν και ενεργοποιείται ο ειδικός έλεγχος Ac Voltage control override κατά την διάρκεια του σφάλματος λόγω της πτώσης της ac τάσης, δεν είναι δυνατό να διατηρήσει την ac τάση εντός των ασφαλών ορίων. Μόλις όμως εκκαθαριστεί το σφάλμα στο 1.6s, παρατηρείται αύξηση της παροχής άεργου ισχύος από τον ανορθωτή στο PCC με σκοπό να επανέλθει η ac τάση. Η αποκατάσταση του σφάλματος περιλαμβάνει ραγδαία αύξηση της ενεργού ισχύος στο PCC. Αυτό το μεταβατικό φαινόμενο αποτυπώνεται στο ρεύμα του PCC που φτάνει μέχρι τα 2 pu, στην συνιστώσα i d και στις ταλαντώσεις της dc τάσης. Όσο αφορά την ac πλευρά του αντιστροφέα, η ενεργός ισχύς ακολουθεί ποιοτικά την dc ισχύ. Η ac τάση παρουσιάζει παραμένει ανεπηρέαστη εκτός από μικρές διακυμάνσεις και η άεργος ισχύς παρέχεται από τον αντιστροφέα στο PCC για να αυξήσει την ac τάση και απορροφάται για να την μειώσει. Τα μεταβατικά φαινόμενα κατά την αποκατάσταση είναι ομαλότερα συγκριτικά με τα αντίστοιχα στην ac πλευρά του ανορθωτή. Κατά την διάρκεια του τριφασικού σφάλματος στο PCC του αντιστροφέα(1.9-2s) η ac τάση και η ενεργός ισχύς στο PCC μηδενίζονται. Η μεταφερόμενη dc ισχύς είναι επίσης μηδέν. Στον ζυγό φίλτρων του αντιστροφέα δημιουργείται μια παραμορφωμένη τάση πλάτους.2pu. Οι ειδικοί έλεγχοι του αντιστροφέα αυξάνουν τις συνιστώσες d και q του ρεύματος μετατροπέα στις μέγιστες τιμές τους με σκοπό να διατηρηθεί η ενεργός και η άεργος ισχύς στο PCC του αντιστροφέα στο επίπεδο πριν την διαταραχή. Παρ όλα αυτά δεν σημειώνεται αλλαγή στο επίπεδο των ισχύων εξαιτίας της πολύ χαμηλής ac τάσης και των περιορισμών των συνιστωσών του ρεύματος του μετατροπέα που ορίζονται για λόγους ασφαλείας(1.1pu για την συνιστώσα d και.8pu για την συνιστώσα q). Από την άλλη η ac τάση στον ανορθωτή διατηρείται, ενώ το ρεύμα πέφτει σχεδόν σε μηδενικό επίπεδο και κατά συνέπεια και η ενεργός ισχύς. Οι dc τάσεις στα δύο τερματικά φτάνουν εώς τα 1.35pu με αποτέλεσμα να υπερφορτίζονται οι dc πυκνωτές. Η υπερφόρτιση των πυκνωτών μπορεί να αντιμετωπιστεί με εκτροπείς υπερτάσεων. Μόλις εκκαθαριστεί το σφάλμα η ενεργός ισχύς επανέρχεται γρήγορα στην αρχική τιμή της. Στην ac πλευρά του αντιστροφέα παρατηρείται ένα peak στο ρεύμα εξαιτίας της συνιστώσας q του ρεύματος. 163

164 Οι συνέπειες του μονοφασικού σφάλματος στο PCC αντιστροφέα είναι η μείωση της μεταφερόμενης ισχύος κατά.3pu, αύξηση της dc τάσης και όπως φαίνεται η αύξηση αλλά και η μετατόπιση του άξονα συμμετρίας των ρευμάτων στο PCC αντιστροφέα. Iabc_B2 A Iabc_B2 B Iabc_B2 C 2 p.u Offset= (secs) Σχήμα 158: Ασυμμετρία ρευμάτων στο PCC του VSC αντιστροφέα κατά την διάρκεια του μονοφασικού ac σφάλματος. Παρατηρούνται ταλαντώσεις στην dc τάση, όπως επίσης και στις συνιστώσες των ρευμάτων του μετατροπέα συχνότητας 1Hz. Αυτό οφείλεται στην ασυμμετρία που προκαλεί το μονοφασικό σφάλμα με αποτέλεσμα οι τριφασικές ποσότητες να μην μετασχηματίζονται πλέον ως dc ποσότητες στο σύστημα dq. Αυτές οι ταλαντώσεις προφανώς υπάρχουν στην ενεργό και άεργο ισχύ στην ac πλευρά του αντιστροφέα όπως και στην dc ισχύ. Ένας τρόπος μείωσης τους είναι ο ανεξάρτητος έλεγχος των ορθών και αντίστροφων συνιστωσών των ρευμάτων [18]. H μαθηματική εξήγηση της της 2 ης αρμονικής εξαιτίας της ασυμμετρίας γίνεται εδώ [4]. Στην ac πλευρά του ανορθωτή η ac τάση δεν επηρεάζεται, το ρεύμα περιέχει αρμονικές και παρουσιάζει μείωση, όπως και η ισχύς μειώνεται ανάλογα με την dc ισχύ. Κατά το σφάλμα γραμμής-γραμμής στο PCC του αντιστροφέα η μεταφερόμενη ισχύς στο PCC μειώνεται κατά.4 pu, η φασική τάση C στο PCC του αντιστροφέα παραμένει ανεπηρέαστη και το τριφασικό ρεύμα αν και αυξάνεται ελάχιστα, δεν παρουσιάζει την μετατόπιση του κέντρου συμμετρίας που παρατηρήθηκε στο μονοφασικό σφάλμα. Καθώς το σφάλμα γραμμής-γραμμής είναι ασύμμετρο σφάλμα, παρουσιάζονται όμοιες,αλλά μεγαλύτερες σε σχέση με το μονοφασικό σφάλμα, ταλαντώσεις στην dc τάση και στις συνιστώσες του ρεύματος του αντιστροφέα. Η επίδραση του σφάλματος στην ac πλευρά του ανορθωτή, εκτός από την μείωση του επιπέδου ισχύος και της παραμόρφωσης του ρεύματος, είναι μικρή. Αφού εκκαθαριστεί το σφάλμα στο 2.8s, η αποκατάσταση του συστήματος γίνεται περίπου σε.2s. Από τα ac σφάλματα που προσομοιώθηκαν φαίνεται ότι το VSC-HVDC σύστημα έχει ικανοποιητική δυναμική απόκριση κατά την διάρκεια των σφαλμάτων και γρήγορη αποκατάσταση μετά από την εκκαθάριση των σφαλμάτων. Στην περίπτωση του μονοφασικού και του διφασικού σφάλματος είναι δυνατόν να διατηρηθεί το επίπεδο της μεταφερόμενης ισχύος μεταβάλλοντας τα όρια των ελεγκτών έτσι ώστε κατά την διάρκεια 164

165 του σφάλματος να αυξηθεί προσωρινά η συνιστώσα i d, όπως έγινε στην παράγραφο 8 για την βύθιση τάσης. Τα ac σφάλματα προκαλούν κυρίως υπερρεύματα στην ac πλευρά τα οποία πρέπει να αντιμετωπιστούν εγκαίρως για να προστατευτεί ο εξοπλισμός. Οι ασφάλειες τήξης είναι συσκευές που διακόπτουν το ρεύμα εξαιτίας της τήξης του υλικού τους. Η σχέση του ρεύματος που προκαλεί την τήξη του υλικού της ασφάλειας και του απαιτούμενου χρόνου τήξης δίνεται από χαρακτηριστικές ρεύματος-χρόνου τήξης. Όταν λιώνει μια ασφάλεια τήξης, υπάρχει πάντα μια περίοδος ηλεκτρικού τόξου. Έτσι ο συνολικός χρόνος διακοπής του ρεύματος είναι το άθροισμα του χρόνου τήξης και της περιόδου του ηλεκτρικού τόξου. Οι ασφάλειες τήξης θεωρούν όλα τα σφάλματα μόνιμα καθώς δεν μπορούν να ξεχωρίσουν αν ένα σφάλμα είναι μόνιμο ή παροδικό. Είναι μιας χρήσης και έτσι το σύστημα δεν μπορεί να αποκατασταθεί όταν εκκαθαριστεί το σφάλμα μεχρί να αντικατασταθούν οι ασφάλειες τήξης. Συνεπώς δεν αποτελούν καλή λύση για την ac προστασία και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο στην περίπτωση που δεν υπάρχουν άλλες εναλλακτικές. Στην περίπτωση που χρησιμοποιηθούν σε μη κρίσιμα φορτία ή σε περιοχές όπου ο χώρος είναι περιορισμένος, θα πρέπει η συνεργασία τους με την dc προστασία να είναι τέτοια ώστε η dc προστασία να αντιδρά ταχύτερα και οι ασφάλειες να δρουν αν αποτύχει η dc προστασία [57][78]. Οι διάφοροι τύποι ασφαλειών για την ΥΤ αναφέρονται εδώ [81]. Μια κοινή μέθοδος ac προστασίας στα VSC-HVDC συστήματα είναι η διαφορική προστασία. Δύο διαφορικά ρελέ στους δύο μετατροπείς παρακολοθούν τα ρεύματα στην είσοδο των VSC και τα ρεύματα στην έξοδο τους. Αν τα ρεύματα είναι διαφορετικά, τότε δίνουν εντολή να ανοίξουν οι ac ΔΙ. Στα συστήματα δύο τερματικών οι ενδείξεις του κάθε ρελέ αποστέλλονται στο δεύτερο μέσω συστήματος επικοινωνίας [57]. Σχήμα 159: Διαφορική προστασία VSC-HVDC συστήματος δύο τερματικών 165

166 Σχήμα 16: Αρχή λειτουργίας της διαφορικής προστασίας a) Κανονική λειτουργία b) Εσωτερικό σφάλμα (εντός της προστατευμένης ζώνης). Το I p είναι το ρεύμα στα πρωτεύοντα των ΜΣ ρεύματος και το ρεύμα που εισέρχεται και εξέρχεται από την προστατευμένη ζώνη κατά την κανονική λειτουργία. Τα ρεύματα I p -Ι e είναι τα ρεύματα στα δευτερεύοντα των ΜΣ ρεύματος και ισούνται με τα ρεύματα στα πρωτεύοντα προς τον λόγο μετασχηματισμού μείον τα ρεύματα διέγερσης των ΜΣ ρεύματος. Ακόμα και αν οι λόγοι μετασχηματισμού είναι ίσοι, το ρεύμα I OP =Ι e - Ι e του ρελέ δεν θα είναι απολύτως εξαιτίας των απωλειών εντός της προστατευμένης ζώνης και των μικροδιαφορών των ΜΣ ρεύματος. Κατά την διάρκεια εσωτερικού σφάλματος το ρεύμα του ρελέ I OP = Ι F1 +Ι F2 (Ι e + Ι e ) διεγείρει το ρελέ. Κατά την διάρκεια εξωτερικών σφαλμάτων(εκτός της προστατευμένης ζώνης) η δυναμική απόδοση των ΜΣ ρεύματος που περιλαμβάνει απότομη αύξηση του ρεύματος και dc συνιστώσα μπορεί να προκαλέσει μεγάλα μεταβατικά ρεύματα. Συνεπώς δεν είναι πρακτική η χρήση ρελέ που αντιδρά στιγμιαία(instantaneous relays) για την αντιμετώπιση των εξωτερικών σφαλμάτων, ενώ ένα ρελέ τύπου χρόνου-υπερρεύματος (time-overcurrent relay) θεωρείται πιο πρακτικό. Το ρελέ τύπου χρόνου-υπερρεύματος βασίζεται στην αρχή του δίσκου επαγωγής (induction disk) kai φαίνεται στο σχήμα 161. Τα ρελέ τύπου χρόνου-υπερρεύματος χρησιμοποιούνται σε ac εφαρμογές ενώ τα ρελέ στιγμιαίας αντίδρασης σε dc και ac εφαρμογές. 166

167 Σχήμα 161: a) Άνοψη ρελέ τύπου χρόνου-υπερρεύματος b) Πλάγια όψη Το εναλλασόμενο ρεύμα ή η τάση που εφαρμόζεται στο κύριο τύλιγμα (main coil) παράγει μαγνητική ροή, η περισσότερη από την οποία περνάει μέσω του κενού αέρα και του δίσκου στις μπάρες μαγνήτη (magnetic keeper). Η μαγνητική ροή επιστρέψει μέσω του δίσκου στα 2 άκρα του ηλεκτρομαγνήτη. Το τύλιγμα καθυστέρησης (lag coil) στο ένα άκρο του ηλεκτρομαγνήτη προκαλεί χρονική και φασική μεταβολή της μαγνητικής ροής στην μια πλευρά του δίσκου και έτσι περιστροφή του δίσκου. Η περιστροφή σταματάει από ένα μόνιμο μαγνήτη (permanent damping magnet). Το σπειροειδές ελατήριο(spiral spring) επαναφέρει τις επαφές του ρελέ μόλις παρέλθει το σφάλμα ή το ρεύμα πέσει κάτω από μια μέγιστη τιμή. Οι κινούμενες επαφές είναι προσαρμοσμένες στο περίβλημα του δίσκου. Ο μηχανισμός αυτού του ρελέ έχει ως αποτέλεσμα γρήγορη αντίδραση σε υψηλά ρεύματα και αργή αντίδραση σε μικρότερα ρεύματα, επομένως παράγει μια χαρακτηριστική αντίστροφου χρόνου (inverse time characteristic). Τα ρελέ αυτού του είδους με ημιαγωγικά στοιχεία έχουν καλύτερη απόδοση [79]. O χρόνος αντίδρασης ενός ρελέ χρόνουυπερρεύματος με ακραία αντίστροφη χαρακτηριστική μπορεί να εκφραστεί ως εξής: A t( I) = C (Σχέση 4.23) p M B + Όπου Μ=I/I p, I το ρεύμα στο ρελέ, I p το ρεύμα ρύθμισης του ρελέ, Α,Β,C,p σταθερές για την επίτευξη της επιθυμητής χαρακτηριστικής [84]. Εξαιτίας της ακαταλληλότητας των διαφορικών ρελέ στις γραμμές μεταφοράς λόγω του σφάλματος μέτρησης που εισάγει η αντίσταση της γραμμής μεταφοράς, χρησιμοποιούνται ρελέ απόστασης (distance relays). Αυτά τα ρελέ αναγνωρίζουν το σφάλμα στην γραμμή από το γεγονός ότι η απόσταση από το ρελέ είναι μεγαλύτερη από την ρύθμιση τους. Σχεδιάζονται ώστε να αποκρίνονται στην τάση, στο ρεύμα και στη γωνία μεταξύ τάσης και ρεύματος. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην σχέση μεταξύ της στιγμιαίας σύνθετης 167

168 αντίστασης τους,η οποία εξαρτάται από την στιγμιαία τάση και το στιγμιαίο ρεύμα τους, και το προκαθορισμένο όριο σύνθετης αντίστασης. Η στιγμιαία σύνθετη αντίσταση τους εξαρτάται από την θέση και τον τύπο του σφάλματος [84][81]. Τα ηλεκτρομαγνητικά ρελέ έλξης (Electromagnetic attraction relays) λειτουργούν με βάση ένα οπλισμό που έλκεται από τους πόλους ενός ηλεκτρομαγνήτη ή με βάση ένα έμβολο που έλκεται από μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Ενεργοποιούνται τόσο από ac όσο και από dc ποσότητες [81]. Αντίθετα με τους συνηθισμένους ΔΙ που «αποφασίζουν» μόνοι τους για την λειτουργία διακοπής τους (tripping) μέσω ενός διμεταλλικού ελάσματος που λυγίζει όταν υπερθερμαίνεται λόγω υπερρεύματος, οι ac ΔΙ που χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές υψηλής ισχύος ή στις βιομηχανικές εφαρμογές ελέγχονται από εξωτερικές συσκευές,όπως είναι τα ρελέ. Για αυτόν τον σκοπό έχουν δύο ηλεκτρομαγνητικά τυλίγματα, ένα για να κλείνει τις επαφές του ΔΙ και ένα για να τις ανοίγει. Το τύλιγμα ανοίγματος του διακόπτη μπορεί να ενεργοποιηθεί από ένα ή περισσότερα ρελέ συνδεδεμένα ώστε να παράγουν 125V dc ισχύ. Η dc ισχύς χρησιμοποιείται ώστε να επιτρέπει σε μια μπαταρία να παρέχει ισχύ στα κυκλώματα ελέγχου του ΔΙ σε περίπτωση ολικής κατάρρευσης της ac ισχύος. Όταν ανιχνευθεί σφάλμα, το ρελέ προστασίας χρησιμοποιεί σήματα ρεύματος 5 Α για να κλείσει ένα διακόπτη που ενεργοποιεί αυτή την dc ισχύ στο τύλιγμα του ΔΙ ισχύος, το οποίο με την σειρά του ανοίγει τις επαφές του ΔΙ [8]. Οι ac ΔΙ αποτελούνται από κινούμενες επαφές, τα ηλεκτρόδια, οι οποίες παραμένουν κλειστές στην κανονική λειτουργία και ανοίγουν όταν λαμβάνουν εντολή από τα ρελέ προστασίας. Όταν ανοίγουν οι επαφές δημιουργείται ένα ηλεκτρικό τόξο το οποίο καθυστερεί τον χρόνο διακοπής και παράγει επικίνδυνη θερμότητα. Επομένως το κύριο θέμα στους ac ΔΙ είναι η απόσβεση αυτού του ηλεκτρικού τόξου. Μια μέθοδος εξάλειψης του ηλεκτρικού τόξου είναι η αύξηση της αντίστασης του ώστε να μειωθεί το ρεύμα και να μην μπορεί να διατηρήσει το τόξο. Αυτό επιτυγχάνεται με επιμήκυνση του τόξου, με ψύξη του τόξου, με εκτροπή τόξου σε μικρότερο μονοπάτι και με τον διαχωρισμό του τόξου σε μικρότερα τόξα. Αυτή η μέθοδος έχει το μειονέκτημα της μεγάλης απώλειας ενέργειας. Μία άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρεώς στους ac ΔΙ είναι η μέθοδος μηδενικού ρεύματος (current zero method). Σε ένα ac σύστημα το ρεύμα μηδενίζεται καθέ μισό κύκλο και έτσι το τόξο εξαλείφεται προσωρινά από μόνο του. Η διηλεκτρική αντοχή όμως μεταξύ των επαφών είναι μικρή λόγω των ιόντων και των ηλεκτρονίων, και η επανερχόμενη τάση (restriking voltage) θα προκαλέσει επανέναυση του τόξου. Αν εγκαίρως και ραγδαία αυξηθεί η διηλεκτρική αντοχή μεταξύ των επαφών μπορεί να αποφευχθεί η επανέναυση του τόξου και να διακοπεί το ρεύμα. Ο απιονισμός μεταξύ των επαφών,άρα και η αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής, μπορεί να επιτευχθεί με αύξηση της απόστασης του κενού μεταξύ των επαφών, με εφαρμογή υψηλής πίεσης, με ψύξη των ιόντων και με έγχυση π.χ. ελαίου μεταξύ των επαφών ώστε τα ιόντα να αντικατασταθούν με ουδέτερα σωματίδια (blast effect).oι ac ΔΙ κατηγοροποιούνται ανάλογα με το μέσο που χρησιμοποιούν για την απόσβεση του ηλεκτρικού τόξου. Έτσι υπάρχουν οι ΔΙ ελαίου, πεπιεσμένου αέρα, SF6 και κενού. [81][82]. Οι ΔΙ ελαίου αντιμετωπίζουν τον κίνδυνο της πυρκαγιάς και οι ΔΙ πεπιεσμένου αέρα έχουν συγκριτικά κατώτερη ικανότητα διακοπής τους ηλεκτρικού τόξου. Οι ΔΙ SF6 έχουν ικανότητα γρήγορης διακοπής του ηλεκτρικού τόξου και πολύ μεγάλων 168

169 ρευμάτων αλλά έχουν υψηλό κόστος λόγω του SF6. Από την άλλη οι ΔΙ κενού αν και έχουν μικρότερο κόστος συντήρησης,έχουν το μειονέκτημα ότι δημιουργούν υπερτάσεις στην ζεύξη οι οποίες μπορεί να βλάψουν τον εξοπλισμό [81][83]. Η διαστασιολόγηση των ac ΔΙ γίνεται με βάση τις ακόλουθες παραμέτρους [81]: Ικανότητα διακοπής: Είναι το rms ρεύμα που μπορεί να διακόψει ο ΔΙ για δόσμενη τάση και κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες (π.χ. συντελεστής ισχύος, ρυθμός αύξησης της επανερχόμενης τάσης) Ικανότητα δημιουργίας ρεύματος: Είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος που δημιουργείται κατά την διάρκεια του πρώτου κύκλου μετά το κλείσιμο του ΔΙ. Χρόνος σφάλματος: Είναι το χρονικό διάστημα που ο διακόπτης αντέχει το ρεύμα σφάλματος ενώ είναι κλειστός. Ονομαστικό ρεύμα: Είναι το rms ρεύμα που μπορεί να μεταφέρει ο ΔΙ συνεχώς κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες Σύστημα προστασίας VSC-HVDC συστήματος Ένα ολοκληρωμένο σύστημα προστασίας πρέπει να είναι αξιόπιστο και επιλεκτικό, να είναι σε θέση να προστατέψει το εξοπλισμό από κάθε πιθανό εξωτερικό ή εσωτερικό σφάλμα, όπως και να διακρίνει ένα μόνιμο από ένα παροδικό σφάλμα. Στην περίπτωση προσωρινών εξωτερικών σφαλμάτων στο ac δίκτυο είναι πιθανό να πρέπει να διακοπεί η μεταφορά ισχύος και να γίνει αποκατάσταση του συστήματος μόλις εκκαθαριστεί το σφάλμα. Στην περίπτωση εξωτερικών σφαλμάτων στην dc γραμμή η συμπεριφορά του συστήματος εξαρτάται αν το σφάλμα συμβαίνει σε καλώδιο ή σε ενάερια γραμμή. Το σφάλμα στο καλώδιο είναι πιθανότερο να είναι μόνιμο και σε αυτή την περίπτωση πρέπει να απενεργοποιηθεί ο VSC εώς ότου επισκευαστεί η βλάβη. Αν το σφάλμα είναι παροδικό, τότε πρέπει να απομονωθεί η dc από την ac πλευρά με τα μέσα προστασίας που εξετάστηκαν στην παράγραφο 9 ή ένα ρελέ προστασίας να ανοίξει τον ac ΔΙ, έτσι ώστε η ac πλευρά να μην τροφοδοτεί το σφάλμα μέσω των αντιπαράλληλων διόδων του VSC. Όσο αφορά τα εσωτερικά σφάλματα, το σύστημα προστασίας θα πρέπει να απομονώσει το στοιχείο στο οποίο συμβαίνει το σφάλμα και αμέσως να σταματήσει η μεταφορά ισχύος. Τα εσωτερικά σφάλματα μπορεί να προκληθούν από βραχυκύκλωμα ή μη ομαλή λειτουργία. Μερικές από τις ενέργειες που ενδέχεται να χρειαστούν για να εκκαθαριστεί ένα σφάλμα είναι το προσωρινό ή μόνιμο μπλοκάρισμα το βαλβίδων του VSC, το διαδοχικό άνοιγμα και κλείσιμο του ΔΙ, το κλείδωμα του ΔΙ αν το σφάλμα είναι μόνιμο, η ενεργοποίηση των dc μέσων προστασίας, η γρήγορη εκφόρτιση των dc πυκνωτών και της dc γραμμής. Επίσης πρέπει να προβλέπεται εφεδρική προστασία για την περίπτωση που αποτύχει η κύρια. Η ανίχνευση των σφαλμάτων γίνεται κυρίως με ρελέ προστασίας αλλά λειτουργίες προστασίας είναι δυνατόν να ενσωματωθούν και στο σύστημα ελέγχου. Η επιλεκτική λειτουργία(selectivity) του συστήματος είναι πολύ σημαντική. Έτσι θα πρέπει να είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να αντιδρά πρώτο το μέσο προστασίας που είναι πιο κοντά στο σφάλμα και να γίνονται οι λιγότερες δυνατές αποσυνδέσεις στο σύστημα. Ένας άλλος παράγοντας σχεδίασης του συστήματος προστασίας είναι η επιλεκτική συνεργασία των μέσων 169

170 προστασίας, η οποία ορίζεται από το επίπεδο επικινδυνότητας του σφάλματος. Επιλέγεται να αντιδράσει το μέσο προστασίας το οποίο είναι ικανό να εκκαθαρίσει το σφάλμα και να μην προκληθούν ζημιές στο εξοπλισμό. Για παράδειγμα σε ένα σύστημα που συμβαίνει ένα dc σφάλμα και δεν έχει dc ΔΙ, η απενεργοποίηση του VSC δεν λύνει το πρόβλημα και θα πρέπει να αντιδράσει έγκαιρα ο απομακρυσμένος ac ΔΙ. Η ευστάθεια του συστήματος κατά τα διάφορα σφάλματα και κατά την αποκατάσταση του συστήματος επιτυγχάνεται, εκτός από την κατάλληλη σχεδίαση των χαρακτηριστικών των ρελέ προστασίας, και με σωστή συνεργασία των ελεγκτών ισχύος με τα ρελέ προστασίας [84]. Στα παροδικά σφάλματα η προστασία πρέπει να έτσι σχεδιασμένη ώστε η ενεργοποίηση του ac ΔΙ πρέπει να είναι η τελευταία λύση, διότι οι διαδοχικές επανεκκινήσεις του VSC μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα αν ο VSC δεν είναι κατάλληλα σχεδιασμένος. Επίσης σε περίπτωση που το VSC-HVDC σύστημα συνδέεται σε μια ανεμογεννήτρια, ο μέγιστος δυνατός χρόνος διακοπής του κυκλώματος περιορίζεται από τις χαρακτηριστικές της ανεμογεννήτριας. Μετά το παροδικό σφάλμα το VSC-HVDC σύστημα πρέπει να επανέλθει γρήγορα στην στάσιμη κατάσταση ώστε η ανεμογεννήτρια να παραμείνει συνδεδεμένη. Αν το σύστημα παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα απενεργοποιημένο, το σύστημα προστασίας υπερταχύτητας της ανεμογεννήτριας θα ανοίξει το κύκλωμα,που σημαίνει μερικά λεπτά απώλεια παραγωγής ισχύος από την ανεμογεννήτρια. Ένα παράδειγμα ολοκληρωμένου συστήματος προστασίας υποσταθμού VSC δίνεται παρακάτω και περιγράφεται η δράση του σε πιθανά σφάλματα [42] Σχήμα 162: Σύστημα προστασίας VSC-HVDC συστήματος 1. Προστασία σε υπερρεύμα με ac ΔΙ 2. Προστασία τάσης εκτός ορίων 3. Προστασία σε σφάλμα γης 4. Προστασία φίλτρων 5. Διαφορική προστασία 6. Προστασία σε υπερρεύμα μετατροπέα 7. Προστασίας τάσης εκτός ορίων 17

171 8. Προστασία σε υπερρεύμα dc πυκνωτών 9. Μονάδα εκφόρτισης dc γραμμής 1. Προστασία βαλβίδων VSC Εσωτερικά σφάλματα: Εσωτερικό σφάλμα στον ac ζυγό: Δημιουργείται λόγω φθοράς της μόνωσης κάπου ανάμεσα στο 2 ον του ΜΣ και στους διακόπτες του μετατροπέα, ή λόγω αποτυχίας του εξοπλισμού στον ac ζυγό. Το σφάλμα ενδέχεται να είναι μόνιμο. Ανιχνεύεται από την προστασία σε υπερρεύμα, ενεργοποιούνται ο ac ΔΙ και διερευνάται το σφάλμα. Σφάλμα στον dc ζυγό: Δημιουργείται λόγω φθοράς της μόνωσης μεταξύ της dc σύνδεσης και των βαλβίδων. Ανιχνεύεται από την προστασία σε υπερρεύμα. Ενεργοποιείται ο ac ΔΙ, ενώ ενδέχεται να μπλοκαριστεί ο VSC επειδή το σφάλμα είναι πολύ σοβαρό. Αποτυχία βαλβίδων: Κάθε VSC έχει ένα ή περισσότερα επιπλέον IGBTs. Έτσι η λειτουργία του VSC μπορεί να συνεχιστεί αν συμβεί σφάλμα σε ένα ή περισσότερα IGBTs εώς ότου ο αριθμός των σφαλμάτων σε IGBTs σε μία βαλβίδα γίνει μεγαλύτερος από τα εφεδρικά. Η προστασία των βαλβίδων στο VSC Light ενεργοποιείται σε λίγα ns και η εφεδρική προστασία των βαλβίδων που βασίζεται στο ρεύμα που ρέει στους dc πυκνωτές και στις φασικές επαγωγικές αντιδράσεις σε λιγότερο από 3μs [85]. Αν αποτύχει η προστασία των βαλβίδων, για την αντιμετώπιση του σφάλματος ενεργοποιείται ο ac ΔΙ. Αποτυχία dc πυκνωτών: Κάθε πυκνωτής συνήθως κατασκευάζεται έτσι ώστε η μόνωση του να αποσυνδέει τα στοιχεία στα οποία συμβαίνει το σφάλμα. Η αποτυχία κάποιων στοιχείων του πυκνωτή μπορεί να γίνει ανεκτή, μετά από κάποιο σημείο όμως μειώνεται η χωρητικότητα και η κατανομή της τάσης γίνεται επικίνδυνη. Το σφάλμα είναι προοδευτικό και μπορεί να γίνει μόνιμο. Ενεργοποιούνται οι ac ΔΙ του VSC καθώς ανιχνεύεται υπερρεύμα. Αποτυχία φασικών επαγωγικών αντιδράσεων: Η καταπόνηση λόγω υπερθέρμανσης και οι επαναλαμβανόμενες μεταβατικές τάσεις υψηλής συχνότητας είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε αποτυχία των φασικών επαγωγικών αντιδράσεων. Αυτά τα σφάλματα είναι δύσκολο να ανιχνευθούν και χρειάζονται θερμικές συσκευές. Οι βαλβίδες μπλοκάρονται και ενεργοποιείται ο ac ΔΙ. Εξωτερικά σφάλματα και μεταβατικά φαινόμενα στην ac πλευρά: Βύθιση ac τάσης: Προκαλείται από κεραυνό,μόλυνση κ.α. Είναι συνήθως προσωρινό σφάλμα. Αρχικά αντιμετωπίζεται από τον έλεγχο του VSC ώστε να διατηρηθεί η τάση σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Αν αποτύχει ο έλεγχος, ενεργοποιείται ο ac ΔΙ. Προσωρινή ac υπέρταση: Προκαλείται από απώλεια του έλεγχου τάσης ή απόρριψη φορτίου. Η υπέρταση διαδίδεται σε όλο το σύστημα. Αντιμετωπίζεται από την προστασία των dc πυκνωτών και των μέσων προστασίας υπερτάσεων στην ac πλευρά. 171

172 Κρουστική ac υπέρταση: Προκαλείται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές μεταφοράς του ac δικτύου. Οι εκτροπείς υπερτάσεων στα διάφορα στοιχεία της ac πλευράς θα αντιμετωπίσουν την υπέρταση. Ac υπέρταση λόγω ζεύξης: Προκαλείται από την ζεύξη της ac γραμμής. Αντιμετωπίζεται πάλι με εκτροπείς υπερτάσεων. Αλλαγή φάσης της ac τάσης: Η απώλεια μιας γεννήτριας και η απώλεια φορτίου, ειδικότερα στα αδύναμα δίκτυα, έχουν ως αποτέλεσμα γρήγορη αλλαγή της φάσης και της συχνότητας της τάσης. Η επακόλουθη αλλαγή της φάσης της τάσης του μετατροπέα θα προκαλέσει βηματική αλλαγή στην ενεργό ισχύ. Αν ο έλεγχος αποτύχει να ελέγξει την βηματική αλλαγή και να προσαρμόσει την φάση με ένα γρήγορο PLL, τότε δημιουργείται υπερρεύμα που ανιχνέυεται από τα ρελέ προστασίας και ενεργοποιείται ο ac ΔΙ. Ασυμμετρία ac τάσης: Προκαλείται από απώλεια φορτίου, από σφάλμα ή από αποτυχία εξοπλισμού. Ο μετατροπέας πρέπει να μπορεί να λειτουργήσει με την μέγιστη ασυμμετρία τάσης. Καθώς η παρατεταμένη ασυμμετρία τάσης είναι ανεπιθύμητη, μπορεί να ενεργοποιηθεί η προστασία αρχικά μέσω συναγερμού και να μπλοκαριστεί ο μετατροπέας ή ακόμα και να ενεργοποιηθεί ο ac ΔΙ. Dc υπέρταση: Dc υπέρταση στους πυκνωτές μπορεί να δημιουργηθεί από εξωτερική αιτία, αλλά και από απότομο μπλοκάρισμα του αντιστροφέα ή από εσφαλμένη φόρτιση του υποσταθμού VSC, όπως για παράδειγμα μπορεί να συμβεί κατά την εκκαθάριση τοπικού ac σφάλματος όπου η dc τάση πέφτει στο και οι βαλβίδες δεν λειτουργούν. Περιορίζεται από εκτροπείς υπερτάσεων στους dc πυκνωτές ή από άλλα μέσα προστασίας κατά των υπερτάσεων στην dc πλευρά. Σφάλματα στην dc γραμμή μεταφοράς ή στο dc καλώδιο: Σφάλμα dc καλωδίου: Προκαλείται από αποτυχία της μόνωσης του καλωδίου ή από μηχανική καταπόνηση. Ανιχνεύεται από την μέτρηση του πλάτους και του ρυθμού μεταβολής της dc τάσης και του dc ρεύματος. Το σφάλμα ενδέχεται να είναι μόνιμο. Αντιμετωπίζεται με τα dc μέσα προστασίας, όπως είναι οι dc ΔΙ, και την απενεργοποίηση των VSC. Σφάλμα στην dc γραμμή μεταφοράς: Προκαλείται από την αποτυχία της μόνωσης μεταξύ των αγωγών και του εδάφους εξαιτίας κεραυνών,δέντρων, μηχανικής καταπόνησης κ.α. Ανιχνεύεται από την μέτρηση του πλάτους και του ρυθμού μεταβολής της dc τάσης και του dc ρεύματος. Μπορεί να είναι παροδικό, αλλά και μόνιμο αν οι μονωτήρες έχουν υποστεί ζημιά. Αντιμετωπίζεται με τους τρόπους που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 9. Υπέρταση στον dc ζυγό(για εναέριες γραμμές μόνο) : Προκαλείται από κεραυνούς κοντά στο τερματικό του VSC. Το αποτέλεσμα είναι μια κρουστική τάση που περιορίζεται από τους εκτροπείς υπερτάσεων. Dc υπέρταση: Προκαλείται από το ξαφνικό μπλοκάρισμα του απομακρυσμένου μετατροπέα και την απώλεια ελέγχου της dc τάσης. Αυτού του είδους η υπέρταση μπορεί να περιοριστεί από τον έλεγχο του μετατροπέα. Η dc προστασία θα 172

173 περιορίσει την υπέρταση. Αν όμως επιμένει τότε η προστασία τάσης εκτός ορίων θα σταματήσει τον μετατροπέα. Μέχρι τώρα αναφέρθηκαν σαν μέσα προστασίας κατά των υπερτάσεων οι εκτροπείς υπερτάσεων. Παρ όλα αυτά υπάρχουν και άλλα μέσα προστασίας κατά των υπερτάσεων όπως είναι το πλέγμα γείωσης (earthing screen). Πρόκυπτει για ένα δίκτυο από αγωγούς χαλκού που περικλείει τον εξοπλισμό στον υποσταθμό. Το δίκτυο των αγωγών συνδέεται στη γή σε δύο τουλάχιστον σημεία μέσω μια μικρής αντίστασης. Όταν ένας κεραυνός χτυπήσει τον υποσταθμό, το πλέγμα γείωσης προσφέρει ένα μονοπάτι χαμηλής αντίστασης για τις κρουστικές υπερτάσεις. Το μειονέκτημα αυτού του μέσου είναι ότι δεν προσφέρει προστασία έναντι των υπερτάσεων που φτάνουν τον εξοπλισμό του υποσταθμού ως οδεύοντα κύματα. Μια αποτελεσματική μέθοδος προστασίας των εναέριων γραμμών μεταφοράς έναντι των κεραυνών είναι τα καλώδια γείωσης (ground wires) του σχήματος 163. Σχήμα 163: Καλώδια γείωσης για την προστασία εναέριων γραμμών μεταφοράς Τα καλώδια γείωσης τοποθετούνται πάνω από τους αγωγούς μεταφοράς σε τέτοιες θέσεις ώστε πρακτικά όλοι κεραυνοί να αναχαιτίζονται από αυτούς. Τα καλώδια γείωσης γειώνονται σε κάθε πυλώνα μεταφοράς μέσω χαμηλής αντίστασης και όταν χτυπήσει ένα κεραυνός την γραμμή μεταφοράς, το κρουστικό ρεύμα ρέει προς το έδαφος μέσο του καλωδίου γείωσης. Ο βαθμός προστασίας των καλωδίων γείωσης εξαρτάται από την αντίσταση του πυλώνα. Αν η αντίσταση του πυλώνα είναι R και το κρουστικό ρεύμα I, τότε το δυναμικό του πυλώνα γίνεται V=I*R. Αν αυτό το δυναμικό είναι αρκετά μεγάλο θα προκαλέσει διάσπαση των μονωτήρων. Τα μειονεκτήματα των καλωδίων γείωσης είναι το επιπλέον κόστος και το γεγονός ότι αν σπάσουν και πέσουν στο έδαφος ενδέχεται να προκαλέσουν σφάλμα γής. Το τελευταίο πρόβλημα αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας γαλβανισμένους πολύκλωνους χαλύβδινους αγωγούς σαν καλώδια γείωσης [81]. 173

174 Όμοια με τους εκτροπείς υπερτάσεων οι απορροφητές υπερτάσεων (surge absorbers) χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση των υπερτάσεων στα συστήματα ΥΤ για την προστασία του εξοπλισμού. Η διαφορά τους είναι ότι ο εκτροπέας υπέρτασης εκτρέπει την διαταραχή προς το έδαφος ενώ ο απορροφητής υπέρτασης απορροφά την ενέργεια της διαταραχής. Μερικές διατάξεις απορροφητών υπερτάσεων περιγράφονται εδώ [81]. Άλλες σημαντικές λειτουργίες προστασίας ενός VSC υποσταθμού είναι η προστασία της συχνότητας, η προστασία της απώλειας της ψύξης του VSC, η μηχανική προστασία, η προστασία της αντίδρασης του ρελέ και η προστασία κατά της πυκαργιάς. Το σύστημα προστασίας του VSC-HVDC συστήματος πρέπει να σχεδιαστεί με ιδιαίτερο τρόπο στην περίπτωση που τροφοδοτεί ένα απομονωμένο αδύναμο ac δίκτυο [42]. Το σύστημα ελέγχου και παρακολούθησης του υποσταθμού VSC από δύο κύρια τμήματα: 1) Την διεπαφή ανθρώπου-μηχανής (Human Machine Interface) και την αποθήκευση δεδομένων 2)Τον έλεγχο και την προστασία. Η επικοινωνία μεταξύ των διαφορετικών τμημάτων γίνεται μέσω τοπικού δικτύου (Local Area Network) με οπτικές ίνες. Η HMI γίνετα μέσω τοπικών ή απομακρυσμένων σταθμών εργασίας (Operator Work Stations). Ο σταθμός εργασίας επιτρέπει στον διαχειριστή του συστήματος να έχει άμεση πρόσβαση κατάσταση λειτουργίας, στις ρυθμίσεις ελέγχου και προστασίας του συστήματος και σε διαγνωστικές πληροφορίες όπως είναι η λίστα συμβάντων, η λίστα συναγερμών, η λίστα σφαλμάτων και οι καταγραφές διαταραχών του συστήματος ελέγχου και προστασίας. Οι σειριακές συνδέσεις στα συστήματα μετρήσεων (Supervisory Control and Data Acquisition) γίνονται μέσω κοινού hardware. Το τμήμα του ελέγχου και προστασίας αποτελείται από υπολογιστές τελευταίας τεχνολογίας, μικροελεγκτές και ψηφιακούς επεξεργαστές σημάτων. Κάθε VSC έχει δύο ανεξάρτητα τμήματα ελέγχου και προστασίας για λόγους εφεδρείας και υψηλής αξιοπιστίας. Το τμήμα ελέγχου και προστασίας περιλαμβάνει πολλές λειτουργίες καταγραφής σφαλμάτων, επιτρέποντας την ανάλυση σε γραφικό περιβάλλον κάθε μεταβατικού φαινομένου και της δυναμικής απόδοσης του VSC στην επιθυμητή χρονική στιγμή και στην επιθυμητή ανάλυση, τα οποία περιορίζονται μόνο από τις δυνατότητες αποθήκευσης [85]. Όπως εξηγήθηκε τα ρελέ χρόνου-υπερρεύματος είναι ευρέως διαδεδομένα στα ΣΗΕ. Τα συγχρονα ρελέ (numerical relay) αν και ακολουθούν τις αρχές λειτουργίας τους, υλοποιούνται με ψηφιακούς επεξεργαστές σήματος και προσφέρουν καλύτερη απόδοση απλοποιώντας την συνδεσμολογία με τους συμβατικούς ΜΣ ρεύματος [86]. Το πρότυπο IEC προβλέπει την συνεργασία των ρελέ προστασίας, τα οποία αναφέρει ως έξυπνες ηλεκτρονικές συσκευές (Intelligent Electronic Devices) [87].To διεθνές πρότυπο ΙΕC-6185 αποτελεί ένα ολοκληρωμένο μοντέλο για τα δίκτυα επικοινωνίας και τα συστήματα στους υποσταθμούς. Ως μέθοδος αυτοματισμού προσφέρει αύξηση της μεταφερόμενης ισχύος, μείωση του κόστους του υποσταθμού, υψηλή αξιοπιστία και βελτιωμένη απόκριση του συστήματος. Επίσης οι προχωρημένες υπηρεσίες του και τα ξεχωριστικά χαρακτηριστικά του προσφέρουν δυνατότητες που δεν είναι εφικτές με τα συμβατικά πρότυπα. Κάνει εφικτή την εφαρμογή μεγάλης ποικιλίας σχημάτων προστασίας, των οποίων το κόστος διαφορετικά είναι απαγορευτικό [88][89]. 174

175 5.Υλοποίηση CSC-HVDC συστήματος 5.1 Περιγραφή μοντέλου Το μοντέλο προσομοιώνει μια μονοπολική HVDC διασύνδεση 5MW ονομαστικής τάσης 4kV και ονομαστικού ρεύματος 1.25kΑ που υλοποιείται με μετατροπείς πηγής ρεύματος. Τα ac δίκτυα μοντελοποιούνται όμοια με αυτά του VSC-HVDC συστήματος [1][15]. Σχήμα 164: Μοντέλο CSC-HVDC συστήματος Ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας είναι δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς που αποτελούνται από δύο εξαπαλμικές γέφυρες θυρίστορ σε σειρά. Η διασύνδεση των μετατροπέων με τα ac δίκτυα γίνεται μέσω ΜΣ 6MVA [22] 3 τυλιγμάτων συνδεσμολογίας Υ g yd1 ώστε η μία εξαπαλμική γέφυρα να τροφοδοτείται από το δευτερεύον αστέρα και η άλλη από το δευτερεύον τριγώνου. Από αυτή την συνδεσμολογία προκύπτει ότι η τάση του δευτερεύοντος αστέρα προηγείται της τάσης του δευτερεύοντος τριγώνου κατά 3 ο. Η φασική διαφορά έχει σαν αποτέλεσμα την ακύρωση των αρμονικών των εξαπαλμικών γεφυρών στην ac (της 5 ης και 7 ης ) και dc πλευρά (της 6 ης ). Έτσι ο δωδεκαπαλμικός μετατροπέας τροφοδοτείται από 2 ac συστήματα με διαφορά φάσης 3 ο. Η επαγωγές διαρροής των ΜΣ που συνδέονται εν σειρά με τους μετατροπείς παριστάνονται κυρίως από τις επαγωγές διαρροής των δευτερευόντων των ΜΣ. Οι μεταγωγείς τάσης των ΜΣ παριστάνονται με ένα παράγοντα που πολλαπλασιάζεται στην ονομαστική τάση πρωτεύοντος,.9 για τον ανορθωτή και.96 για τον αντιστροφέα [2][19][9]. 175

176 Σχήμα 165: Συνδεσμολογία δωδεκαπαλμικού CSC και μοντέλο ανορθωτή Από την οπτική γωνία της ac πλευράς ο μετατροπέας συμπεριφέρεται σαν πηγή αρμονικών ρευμάτων και από την οπτική γωνία της dc πλευράς συμπεριφέρεται σαν πηγή αρμονικών τάσεων. Η τάξη των χαρακτηρικών αρμονικών του ac ρεύματος είναι 12κ±1 και η τάξη των χαρακτηριστικών αρμονικών της dc τάσης είναι 12κ όπου κ θετικός ακέραιος. Τα πλάτη των αρμονικών μεταβάλλονται με την επαγωγή διαρροής, την γωνία α και το dc ρεύμα. Όσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγή διαρροής τόσο μικρότερα είναι τα πλάτη των αρμονικών του ac ρεύματος. Αποδεικνύεται επίσης ότι στην λειτουργία ανόρθωσης τα πλάτη των αρμονικών είναι ανάλογα με την γωνία έναυσης και την γωνία επικάλυψης [19]. Τα ac φίλτρα χρησιμοποιούνται για να αποτρέψουν την διάδοση των περιττών αρμονικών στα ac δίκτυα, οι οποίες παραμορφώνουν την τάση και το ρεύμα και δημιουργούν τηλεπικοινωνιακές παραμβολές. Η συμβατική διάταξη φίλτρων είναι η χρήση φίλτρων συντονισμού (ζωνοπερατών φίλτρων) συντονισμένων στις δύο μικρότερης τάξης αρμονικές, την 11 η και την 13 η. Επίσης ένα υψιπερατό φίλτρο χρησιμοποιείται για τον περιορισμό των υπόλοιπων αρμονικών ανώτερης τάξης, το οποίο στο μοντέλο θα είναι συντονισμένο στην 24 η αρμονική. Η σχεδίαση των φίλτρων πρέπει να είναι τέτοια ώστε να προκύπτει ικανοποιητικό φιλτράρισμα και να αποφεύγονται συνθήκες συντονισμού. Τα ac φίλτρα παρέχουν επίσης ένα μεγάλο ποσοστό της άεργου ισχύος που απαιτείται από τους μετατροπείς κατά τις λειτουργίες ανόρθωσης και αντιστροφής. Στην θεμελιώδη συχνότητα κυριαρχεί η χωρητική αντίσταση των φίλτρων απέναντι στα επαγωγικά στοιχεία τους, και αν C f είναι η ενεργός παράλληλη χωρητικότητα που εμφανίζεται ανά φάση από τα φίλτρα της ac πλευράς στην θεμελιώδη συχνότητα, τότε η άεργος ισχύς που παρέχουν ανά φάση 176

177 σε var μπορεί να προσεγγιστεί από την σχέση Q = 377C V, όπου V s η ενεργός φασική 2 f f s τάση που εφαρμόζεται στα φίλτρα.oι πυκνωτές των φίλτρων καλό είναι να επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη ότι η άεργος ισχύς που παρέχεται από αυτούς δεν υπερβαίνει την απαίτηση άεργου ισχύος των μετατροπέων κατά την λειτουργία στο κατώτατο επίπεδο ισχύος ώστε να μην δημιουργείται πρόβλημα υπέρτασης. Επειδή οι δωδεκαπαλμικοί μετατροπείς καταναλώνουν μεγάλα ποσά άεργου ισχύος, συνδέονται στο σύστημα επιπλέον πυκνωτές αντιστάθμισης [19]. Η ζήτηση άεργου ισχύος από τους CSC σε συνάρτηση με την μεταφερόμενη ενεργό ισχύ φαίνεται κατά προσέγγιση από την καμπύλη του σχήματος. Η φορά της άεργου ισχύος μπορεί να είναι μόνο από το ac σύστημα προς τον μετατροπέα. Σχήμα 166: Ζήτηση άεργου ισχύος συναρτήσει της μεταφερόμενης ενεργού ισχύος Η κατανάλωση άεργου ισχύος από τους μετατροπείς εξαρτάται από την γωνία έναυσης α. Για παράδειγμα για γωνία α=3 ο η ζήτηση άεργου ισχύος από τον ανορθωτή είναι περίπου το 6% της μεταφερόμενης ισχύος σε πλήρες φορτίο [15][2]. Ειδικότερα, αν η επαγωγή διαρροής L s αγνοηθεί, η μεταφερομένη ενεργός ισχύς μέσω του ανορθωτή και η απαιτούμενη άεργος ισχύς του στην θεμελιώδη συχνότητα δίνονται από τις σχέσεις 5.1 [19][9]: P = 2.7V I cos a 1 Q = 2.7V I sin a (Σχέσεις 5.1) 1 LL LL d d Για τον αντιστροφέα αντίστοιχα είναι: P = 2.7V I cosγ 1 1 LL LL d Q = 2.7V I sin γ (Σχέσεις 5.2) d Όπου V LL η πολική τάση στην ac πλευρά του μετατροπέα, I d το dc ρεύμα, α η γωνία έναυσης και γ η γωνία σβέσης. 177

178 Είναι προφανές ότι όσο μικρότερη είναι η γωνία α τόσο μικρότερη είναι η κατανάλωση άεργου ισχύος από τον ανορθωτή και όσο μικρότερη είναι η γωνία γ τόσο μικρότερη η κατανάλωση άεργου ισχύος από τον αντιστροφέα. Είναι επιθυμητό η γωνία α να έχει μικρές τιμές(π.χ. 1 ο -2 ο ). Με μικρές τις προηγούμενες γωνίες επιτυγχάνονται μεγάλοι συντελεστές ισχύος στους CSC. Η επιλογή της γωνίας γ όμως εξαρτάται από την στρατηγική ελέγχου και τον παράγοντα της αποτροπής των αποτυχιών μεταγωγής. Δεδομένου ότι η γραμμή μπορεί να λειτουργεί σε χαμηλά επίπεδα ισχύος, π.χ. 2MW, τα φίλτρα επιλέγονται να παρέχουν συνολικά 6MVAr και την υπόλοιπη άεργο ισχύ οι πυκνωτές διόρθωσης. Σχήμα 167: Μοντέλο ac φίλτρων CSC υποσταθμού Η dc γραμμή 313km μοντελοποιείται σύμφωνα με την μέθοδο του Bergeron [93] και έτσι ώστε οι απώλειες στο ονομαστικό ρεύμα να είναι 14MW [22]. Άρα θα είναι R dc =14MW/ ka=8.96ω ή.286km/ω. Η επαγωγική και η χωρητική αντίδραση της γραμμής θα έχουν τυπικές τιμές HVDC MI καλωδίου. Οι μεγάλες αυτεπαγωγές εξομάλυνσης στην dc πλευρά μειώνουν το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος, μειώνουν το ρεύμα του dc σφάλματος, αποτρέπουν τον συντονισμό στο dc κύκλωμα και αποτρέπουν το φαινόμενο ασυνεχούς ρεύματος (intermittent current). H dc τάση του ανορθωτή (V dcr ), η dc τάση του αντιστροφέα (V dci ) και το dc ρεύμα (I d ) υπολογίζονται αντίστοιχα από τις σχέσεις οι οποίες αποτελούν τις βασικές εξισώσεις των μετατροπέων [19][9]: 6 2 6ωLs V = V cos a Ι π π V dcr LL d 6 2 6ωLs = V cosγ Ι π π dci LL d 6 2 Idc = VLL (cos a cos γ ) (Σχέσεις 5.3) π R dc 178

179 Εναλλακτικά µπορούν να εκφραστούν ως εξής [15][2][91][93]: V = 2( V cos a R I ) dcr dcro cr d 3 2 Vdcro = Vc π 3 Rcr = Χcr π V = 2( V cos γ R I ) dci dcio ci d 3 Rci = Χcr π 2( Vdcro cos a Vdcio cos γ ) Id = R + 2R 2R dc cr ci (Σχέσεις 5.4) Όπου V dcro είναι ιδανική εκ κενώ dc τάση μιας εξαπαλμικής γέφυρας του ανορθωτή (δίχως καθυστερήσεις λόγω γωνιών έναυσης και επικάλυψης), V dcio η αντίστοιχη εν κενώ dc τάση μιας εξαπαλμικής γέφυρας του αντιστροφέα, V c η πολική rms τάσης μεταγωγής που εξαρτάται από την τάση του ac συστήματος και τον λόγο μετασχηματισμού του ΜΣ, R c οι ισοδύναμες αντιστάσεις μεταγωγής (commutating resistances), Χ c οι αντιδράσεις μεταγωγής (commutating reactances) ή οι αντιδράσεις των ΜΣ στα δευτερεύοντα. Όπως φαίνεται από τις παραπάνω εξισώσεις τo CSC-HVDC σύστημα ελέγχεται από τις γρήγορες αποκρίσεις των γωνιών α και γ και τις τάσεις στην ac πλευρά. Επίσης από τις εξισώσεις των dc τάσεων προκύπτουν οι χαρακτηριστικές των μετατροπέων. Αν η γωνία α στην εξίσωση της dc τάσης του ανορθωτή έχει μια ελάχιστη τιμή π.χ. 5 ο, τότε προκύπτει η χαρακτηριστική της ελαχίστης γωνίας α. Σε αυτή την περίπτωση η αύξηση του dc ρεύματος μειώνει την dc τάση. Η αρνητική κλίση της χαρακτηριστικής καθορίζεται από την αντίδραση του ΜΣ όπως φαίνεται από την εξίσωση. Αν στην εξίσωση dc τάσης του ανορθωτή θεωρηθεί το ρεύμα σταθερό και η γωνία α μεταβλητή προκύπτει η χαρακτηριστική σταθερού ρεύματος. Σε αυτήν την περίπτωση η υψηλότερη τάση επιτυγχάνεται με την ελάχιστη γωνία α και καθώς αυξάνεται η γωνία α η dc τάση μειώνεται. Το μέγιστο ρεύμα καθορίζεται από τις προδιαγραφές των βαλβίδων. Όσο αφορά την dc τάση του αντιστροφέα αν θεωρηθεί σταθερή η γωνία γ και το dc ρεύμα μεταβλητό, προκύπτει η χαρακτηριστική σταθερής ή ελάχιστης γωνίας σβέσης. Όπως εξηγήθηκε και στην θεωρία, η χαρακτηριστική έχει αρνητική κλίση, δηλαδή η dc τάση μειώνεται με την αύξηση του dc ρεύματος. Η αρνητική κλίση αυτής της χαρακτηριστικής αυξάνεται όσο πιο αδύναμο είναι το ac δίκτυο του αντιστροφέα. Από την άλλη αν στην εξίσωση της dc τάσης του αντιστροφέα διατηρηθεί σταθερή η dc τάση, προκύπτει η χαρακτηριστική σταθερής τάσης του αντιστροφέα, στην οποία το dc ρεύμα μεταβάλλεται με την γωνία γ [4]. 179

180 Κύριος ελεγκτής Έλεγχος ανορθωτή Έλεγχος αντιστροφέα Ελεγκτές Προστασία Μονάδα παραγωγής παλμών Ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συστήματος Δημιουργία ρεύματος αναφοράς που στέλνεται στους ελεγκτές των μετατροπέων Ελεγκτής dc ρεύματος Λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α Ελεγκτής VDCOL Παρακολούθηση της λειτουργίας ελέγχου Ανίχνευση χαμηλής ac τάσης Ανίχνευση dc σφάλματος και προστασία PLL Δωδεκαπαλμική γεννήτρια Ελεγκτής dc ρεύματος Ελεγκτής dc τάσης Ελεγκτής ελάχιστης γωνίας γ Ελεγκτές Λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α Ελεγκτής VDCOL Παρακολούθηση της λειτουργίας ελέγχου Μετρήσεις Μέτρηση γωνίας γ Προστασία Ανίχνευση χαμηλής ac τάσης Μονάδα παραγωγής παλμών Αποτροπή αποτυχιών μεταγωγής PLL Δωδεκαπαλμική γεννήτρια Πίνακας 5.1: Το σύστημα ελέγχου και οι λειτουργίας προστασίας του CSC-HVDC μοντέλου συνοπτικά. Σχήμα 168: Μοντέλο master controller 18

181 Ο κύριος ελεγκτής (master control) αποτελεί τον βασικό ελεγκτή του CSC-HVDC συστήματος. Παράγει τα ρεύματα αναφοράς για τον ανορθωτή και τον αντιστροφέα, τα οποία για την εκκίνηση και την απενεργοποίηση των μετατροπέων χρησιμοποιούν ράμπες προκαθορισμένης κλίσης έτσι ώστε οι μεταβάσεις να είναι ομαλές. Για την εκκίνηση ορίζεται η τελική επιθυμητή τιμή της αναφοράς και η κλίση της ράμπας ανόδου. Για την απενεργοποίηση ορίζεται η κλίση της ράμπας καθόδου και μόλις μηδενιστούν τα ρεύματα αναφοράς ή φτάσουν σε μια προκαθορισμένη ελάχιστη τιμή, ο κύριος ελεγκτής στέλνει σήματα παύσης στους ελεγκτές των μετατροπέων για να σταματήσει η παραγωγή παλμών. Τα ρεύματα αναφοράς που στέλνονται στους δύο μετατροπείς είναι ίδια για να είναι δυνατός ο έλεγχος περιθωρίου ρεύματος. Μεταβάλλοντας το ρεύμα αναφοράς (μέσω του Id_ref_step στο μοντέλο) γίνεται ο έλεγχος του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος στο σύστημα [1][95]. Σχήμα 169: Μοντέλο συστήματος ελέγχου και προστασίας CSC ανορθωτή 181

182 Σχήμα 17: Μοντέλο συστήματος ελέγχου και προστασίας CSC αντιστροφέα 182

183 Σχήμα 171: Moντέλο ελεγκτή CSC ανορθωτή και αντιστροφέα Οι ελεγκτές του ανορθωτή και του αντιστροφέα χρησιμοποιούν το ίδιο μπλοκ 12-Pulse HVDC control της βιβλιοθήκης Simpowersystems. Αυτό το μπλοκ μπορεί να λειτουργήσει είτε για τον έλεγχο ανορθωτή είτε για τον έλεγχο αντιστροφέα. Στο σύστημα γίνεται η μέτρηση των φασικών τάσεων V abc σε pu στα πρωτεύοντα των ΜΣ, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον συγχρονισμό στην παραγωγή παλμών για τους μετατροπείς. Όσο αφορά του ελεγκτές των μετατροπέων,γίνεται μέτρηση των dc τάσεων (V dl ) και του dc ρεύματος (I d ) και μετατρέπονται στο σύστημα pu με βάσεις τις ονομαστικές 183

184 τιμές του συστήματος. Οι τάσεις V dl και το ρεύμα I d φιλτράρονται πριν εισαχθούν στους ελεγκτές τάσης και ρεύματος από φίλτρα 2 ης και 1 ης τάξης αντίστοιχα. Το σήμα Block είναι λογικό σήμα που προέρχεται από τον κύριο ελεγκτή του συστήματος(master controller) και με λογική τιμή 1 μπλοκάρει τους μετατροπείς. Το σήμα Forced-Alpha είναι επίσης ένα λογικά σήμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λόγους προστασίας. Όταν η τιμή του είναι 1, τότε ο μετατροπέας εξαναγκάζεται σε λειτουργία με γωνία α που ορίζεται στις ιδιότητες του μπλοκ. Για την λειτουργία αντιστροφής γίνεται η μέτρηση της γωνίας γ μέσω του μπλοκ Gamma Measurement που αποτελείται από δύο μπλοκ μέτρησης της γωνίας σβέσης εξαπαλμικού μετατροπέα. Η μεταβλητή gamma_meas είναι η μέση γωνία σβέσης του μετατροπέα 12 παλμών, η οποία προκύπτει από τις 12 τελευταίες μετρήσεις γωνιών σβέσης κατά την διάρκεια ενός κύκλου. Η gamma_ref είναι η αναφορά της γωνίας σβέσης, η οποία χρησιμοποιείται στον έλεγχο ελάχιστης γωνίας σβέσης. Για να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση άεργου ισχύος από τον αντιστροφέα και για λόγους ευστάθειας η αναφορά της γωνίας γ ορίζεται σε μια ελάχιστη αποδεκτή τιμή (π.χ. 18 ο ). Για ένα δοσμένο θυρίστορ η γωνία σβέσης ορίζεται ως η καθυστέρηση μεταξύ του μηδενισμού του ρεύματος του θυρίστορ και του θετικού μηδενικού περάσματος της τάσης του θυρίστορ όπως φαίνεται στο σχήμα 172. Σχήμα 172: Γωνία σβέσης θυρίστορ Στο μοντέλο η μέτρηση της γωνίας σβέσης των θυρίστορ του αντιστροφέα γίνεται μετρώντας την καθυστέρηση μεταξύ του μηδενισμού της αγωγής του θυρίστορ και του επόμενου μηδενικού περάσματος της τάσης μεταγωγής [95]. Η μεταβλητή D_alpha στον έλεγχο του αντιστροφέα είναι μια τιμή που προέρχεται από το μπλοκ Commutation Failure Prevention Control και αφαιρείται από το μέγιστο όριο της γωνίας α με σκοπό να αυξήσει το περιθώριο μεταγωγής (περιθώριο γ) κατά την διάρκεια διαταραχών [15][1]. Οι έξοδοι των ελεγκτών των μετατροπέων είναι η τάξη της γωνίας α (alpha_order),η οποία είναι είσοδος στην δωδεκαπαλμική γεννήτρια παλμών, το ρεύμα I d _ref_lim το οποίο είναι η τιμή του ρεύματος αναφοράς που προκύπτει από τον ελεγκτή VDCOL και η μεταβλητή Mode που αποτελεί ένα δείκτη της κατάστασης λειτουργίας του μετατροπέα σύμφωνα με την ακόλουθη αντιστοιχία: 184

185 . Μπλοκαρισµένος µετατροπέας 1. Λειτουργία ελέγχου ρεύµατος 2. Λειτουργία ελέγχου τάσης 3. Λειτουργία ελάχιστης γωνίας α 4. Λειτουργία µέγιστης γωνίας α 5. Λειτουργία εξαναγκασµένης γωνίας α 6. Λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης Οι ελεγκτές του ανορθωτή και του αντιστροφέα έχουν και οι δύο ελεγκτή dc ρεύματος (Current regulator) που υπολογίζει την γωνία έναυσης α i. Στον ελεγκτή του αντιστροφέα λειτουργούν επίσης παράλληλα με τον ελεγκτή ρεύματος, ο ελεγκτής dc τάσης (Voltage regulator) που υπολογίζει την γωνία έναυσης α ν και ο ελεγκτής της γωνίας γ (Gamma regulator) που υπολογίζει την γωνία έναυσης α g. Τελικά η τάξη της γωνίας α alpha_order, η οποία είναι και η έξοδος του ελεγκτή του μετατροπέα, επιλέγεται να είναι η μικρότερη από τις διαθέσιμες. Με αυτόν τον τρόπο επιλέγεται αυτόματα η λειτουργία ελέγχου που εξασφαλίζει την μικρότερη γωνία έναυσης α για τον αντιστροφέα, άρα και την μεγαλύτερη γωνία σβέσης γ εφόσον γ=18 ο -α-μ. Στην συνέχεια η γωνία alpha_order, το σήμα Block, τα όρια της γωνίας έναυσης και οι γωνίες έναυσης των ελεγκτών τροφοδοτούνται ως είσοδοι στο μπλοκ Control mode το οποίο υπολογίζει την στιγμιαία κατάσταση λειτουργίας του μετατροπέα ώστε να είναι δυνατή η παρακολούθηση της. Όλοι οι ελεγκτές είναι τύπου PI με εξωτερικά όρια και έχουν ως εισόδο το σφάλμα μεταξύ του πραγματικού και του επιθυμητού μεγέθους (αναφορά). Τα σφάλματα του dc ρεύματος, της dc τάσης και της γωνίας γ υπολογίζονται από τα error μπλοκς. Οι ελεγκτές PI πρέπει να έχουν αρκετά υψηλά κέρδη ώστε να διατηρούν τις αποκρίσεις του ρεύματος, της τάσης και της γωνίας γ ίσες με το ρεύμα αναφοράς I d _ref_lim, την τάση αναφοράς V d _ref και την αναφορά της γωνίας γ gamma_min, όσο η γωνία α βρίσκεται εντός του μέγιστου και του ελάχιστου ορίου της, τα οποία ορίζονται αντίστοιχα για τον ανορθωτή και τον αντιστροφέα. Όπως αναφέρθηκε, η μεταβλητή D_alpha που λαμβάνεται από την προστασία κατά των αποτυχιών μεταγωγής μπορεί να μειώσει το μέγιστο όριο της γωνίας α στον αντιστροφέα κατά την διάρκεια διαταραχών. Σχήμα 173: Διάγραμμα ελεγκτών CSC αντιστροφέα 185

186 Μια ιδιαιτερότητα των PI ελεγκτών είναι η γραμμικοποίηση (linearization) του αναλογικού κέρδους. Για παράδειγμα, για τον ελεγκτή της dc τάσης, η dc τάση V d είναι ανάλογη με το cosα και η μεταβολή ΔV d εξαιτίας μιας μεταβολής Δα είναι ανάλογη με το sinα. Αυτό προκύπτει από τις βασικές εξισώσεις των dc τάσεων, αν για μια μικρή μεταβολή της α γίνει παραγώγιση της dc τάσης ως προς την γωνία α. Έτσι για σταθερό αναλογικό κέρδος k p, το ενεργό κέρδος είναι ανάλογο με το sinα. Για να διατηρηθεί το ενεργό αναλογικό κέρδος σταθερό, ανεξάρτητο από την τιμή της α, το κέρδος γραμμικοποιείται πολλαπλασιάζοντας το k p με τον παράγοντα 1/sinα. Αυτή η γραμμικοποίηση ισχύει για το εύρος των τιμών της γωνίας α. Η γραμμικοποίηση του αναλογικού κέρδους των ελεγκτών προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτερη απόκριση [15][93][95]. Ο ελεγκτής VDCOL αλλάζοντας το dc ρεύμα αναφοράς ανάλογα με την τιμή της dc τάσης επιτελεί ένα πολύ σημαντικό έλεγχο. Αυτόματα μειώνει το I d _ref όταν μειωθεί η V dl κάτω από ένα όριο π.χ. κατά την διάρκεια ενός dc σφάλματος ή ενός σοβαρού ac σφάλματος. Μειώνοντας την αναφορά του ρεύματος, μειώνεται η ζήτηση άεργου ισχύος των μετατροπέων και έτσι βοηθάει στην αποκατάσταση του σφάλματος. Το μειωμένο ρεύμα που επιβάλλει ο VDCOL μειώνει επίσης την πιθανότητα διαδοχικών αποτυχιών μεταγωγής στον αντιστροφέα κατά την αποκατάσταση του συστήματος και αυξάνει την πιθανότητα ο αντιστροφέας να διατηρήσει τον έλεγχο της dc τάσης. Οι χαρακτηριστικές του VDCOL στο μοντέλο φαίνονται στο σχήμα 174. Σχήμα 174: Χαρακτηριστικές v-i ελεγκτή VDCOL Η τιμή του ρεύματος αναφοράς I d _ref μειώνεται ακαριαία όταν η dc τάση πέσει κάτω από το κατώφλι των.6pu. Η τιμή της αναφοράς του ρεύματος αναφοράς συμβολίζεται 186

187 I d _ref_lim, ενώ το I dminabs είναι το ελάχιστο ρεύμα αναφοράς ρυθμισμένο στα.8 pu. Όταν το σφάλμα εκκαθαριστεί και η dc τάση αποκαθίσταται, ο VDCOL περιορίζει το χρόνο ανόδου του Id_ref όπως φαίνεται στο σχήμα με μία χρονική σταθερά Tup, η οποία είναι.8s στο μοντέλο [95][94][15]. Στο σχήμα 175 φαίνονται οι χαρακτηριστικές των μετατροπέων του μοντέλου στην στάσιμη κατάσταση όπως προκύπτουν από τις βασικές εξισώσεις των μετατροπέων. Σχήμα 175: Χαρακτηριστικές v-i CSC μοντέλου Κατά την κανονική λειτουργία ο ανορθωτής ελέγχει το dc ρεύμα με βάση το ρεύμα αναφοράς και ο αντιστροφέας την dc τάση με βάση την τάση αναφοράς ή την γωνία γ με βάση την αναφορά της ελάχιστης γωνίας σβέσης. Η λειτουργία του αντιστροφέα στην ελάχιστη γωνία σβέσης χρησιμοποιείται για την εξασφάλιση της σταθερότητας της τάσης και για την αποφυγή των αποτυχιών μεταγωγής, ιδιαίτερα στα αδύναμα ac δίκτυα όπου μια διακύμανση του dc ρεύματος στον ανορθωτή θα προκαλέσει μεγαλύτερες διακυμάνσεις στην ac πλευρά του αντιστροφέα. Τα περιθώρια ρεύματος, τάσης και γωνίας γ ορίζονται στον ελεγκτή του αντιστροφέα. Το σύστημα υπό κανονικές συνθήκες λειτουργεί στην τομή της χαρακτηριστικής σταθερού ρεύματος του ανορθωτή και της χαρακτηριστικής σταθερής τάσης του αντιστροφέα (σημείο λειτουργίας 1). Στο σημείο λειτουργίας 1 η γωνία σβέσης του αντιστροφέα είναι μεγαλύτερη από την ελάχιστη γωνία σβέσης. Στην περίπτωση σοβαρής διαταραχής στο σύστημα είναι δυνατόν να προκληθεί μια βύθιση της ac τάσης στο ac σύστημα που τροφοδοτεί τον ανορθωτή και το σημείο λειτουργίας του συστήματος να μετακινηθεί στο σημείο λειτουργίας 2. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο ανορθωτής να εξαναγκάζεται να λειτουργεί σε μια χαρακτηριστική ελάχιστης γωνίας α και ο αντιστροφέας αναλαμβάνει τον έλεγχο του ρεύματος. Στην κανονική λειτουργία η αναφορά του ελεγκτή ρεύματος του αντιστροφέα διατηρεί μια σταθερή διαφορά (.1pu), η οποία είναι το περιθώριο ρεύματος, από την αναφορά ρεύματος του ανορθωτή με αποτέλεσμα να ελέγχει ο ανορθωτής το dc ρεύμα. Στην περίπτωση της διαταραχής, ενεργοποιείται ο ελεγκτής ρεύματος του αντιστροφέα με σκοπό να διατηρήσει το dc ρεύμα στα.9pu. Αν δεν υπάρχει ελεγκτής ρεύματος στον αντιστροφέα, η βύθιση της τάσης λόγω της διαταραχής στο ac σύστημα του ανορθωτή μπορεί να προκαλέσει αντιστροφή της διαφοράς δυναμικού μεταξύ 187

188 του dc τερματικού του ανορθωτή και του αντιστροφέα και θα αναγκάσει το ρεύμα να μηδενιστεί [4]. Τα περιθώρια dc τάσης και γωνίας γ τροποποιούν τις χαρακτηριστικές του αντιστροφέα (CG και AF στο σχήμα 176). Η παραμέτρος gamma margin επιλέγεται 35 ο για να εξασφαλιστεί η σταθεροποιήση του συστήματος για μεγάλο εύρος διακυμάνσης του dc ρεύματος και το ελάχιστο όριο της γωνία α του αντιστροφέα επιλέγεται να είναι 118 ο για να εξασφαλιστεί μια ελάχιστη dc τάση στον αντιστροφέα. Όμοια μια βύθιση της ac τάσης στο ac σύστημα του αντιστροφέα θα εξαναγκάσει τον έλεγχο του αντιστροφέα στην λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης ώστε να εξασφαλιστεί η ελάχιστη γωνία σβέσης για την ασφαλή μεταγωγή των βαλβίδων. Παρ όλα αυτά, κατά την διάρκεια σοβαρών διαταραχών,όπως είναι τα ac σφάλματα, μια γρηγορότερη απόκριση είναι απαραίτητη ώστε να αυξηθεί το περιθώριο γ και να μειωθεί η πιθανότητα αποτυχιών μεταγωγής. Αυτό τον σκοπό αναλαμβάνει το Commutation Failure Prevention Control, η λειτουργία του οποίου θα εξηγηθεί στην συνέχεια [15][1]. Σχήμα 176: Τροποποιημένες χαρακτηριστικές v-i CSC μοντέλου Η παραγωγή παλμών για τις δωδεκαπαλμικές γέφυρες γίνεται στην μονάδα παραγωγής πάλμων η οποία στο μοντέλο είναι το μπλοκ 12-pulse Firing Control. 188

189 1 alpha_ord (deg) 2 Vabc (pu) Vabc(pu) PLL Va Vb Vc Freq alpha_deg A B C Freq Block PY PD Discrete Synchronized 12-Pulse Generator 1 PulsesY 2 PulsesD 3 3 Freq Block Σχήμα 177: Μοντέλο δωδεκαπαλμικής γεννήτριας Ένα PLL χρησιμοποιείται για να συγχρονίσει την δωδεκαπαλμική γεννήτρια σύμφωνα με τα μηδενικά περάσματα της τάσης μεταγωγής. Η μέτρηση των τάσεων συγχρονισμού γίνεται στο πρωτεύον του ΜΣ γιατί οι κυματομορφές είναι λιγότερο παραμορφωμένες. Το PLL μετράει με ακρίβεια την θεμελιώδη συχνότητα και την στιγμιαία γωνία ωt της τάσης (της ορθής συνιστώσας). Η έξοδος του είναι μια τριφασική τάση μοναδιαίου πλάτους με την οποία τροφοδοτεί την γεννήτρια παλμών. Το PLL επίσης στέλνει την μέτρηση της συχνότητας στο μπλοκ μέτρησης της γωνίας γ για την μετατροπή της χρονικής καθυστέρησης, από την οποία εκφράζεται η γωνία γ, σε μοίρες. Το PLL εξαλείφει όλες τις αρμονικές που ενδεχομένως να δημιουργήσουν πολλαπλά μηδενικά περάσματα της τάσης μεταγωγής και μπορεί να προσαρμοστεί στις διακυμάνσεις της φάσης και της συχνότητας του ac δικτύου. Η διαδοχή των μεταγωγών εξαρτάται από τους ΜΣ γιατί τα μηδενικά περάσματα της ac τάσης είναι διαφορετικά αν το τύλιγμα τριγώνου έχει μια μετατόπισης φάσης ±3 ο. Στο μοντέλο λόγω του τύπου του ΜΣ αυτή η καθυστέρηση φάσης είναι -3 ο και λαμβάνεται υπόψη από την δωδεκαπαλμική γεννήτρια. Η γεννήτρια παλμών υπολογίζει τις τάσεις μεταγωγής AB,BC,CA από την τριφασική τάση στην είσοδο της, η οποία είναι η έδοξος του PLL. Η γεννήτρια παλμών συγχρονίζεται στα μηδενικά περάσματα των τάσεων μεταγωγής και ενεργοποιεί τους παλμούς έναυσης με μια καθυστέρηση που ορίζεται από την γωνία α του ελεγκτή του μετατροπέα. Για να λειτουργήσει η διάταξη θα πρέπει κάθε χρονική στιγμή να υπάρχει κλειστό κύκλωμα που δημιουργείται από την αγωγή 4 θυρίστορ, 2 της γέφυρας αστέρα και 2 της γέφυρας τριγώνου [9]. Οι παλμοί έναυσης πρέπει να έχουν ικανοποιητικό πλάτος για αυτήν την ακολουθία (11.5 ο στο μοντέλο) και να ισαπέχουν (equidistant pulse firing).h απαιτούμενη ακολουθία της αγωγής των θυρίστορ φαίνεται στο πίνακα του σχήματος 178, συμβολίζοντας με Q τα θυρίστορ της γέφυρας αστέρα και με Q τα θυρίστορ της γέφυρας τριγώνου. 189

190 Σχήμα 178: Ακολουθία αγωγής θυρίστορ δωδεκαπαλμικού CSC Σχήμα 179: Αντιστοιχία παλμών για τον δωδεκαπαλμικό CSC Παρακάτω φαίνεται ο έλεγχος του ανορθωτή με την εφαρμογή 12 παλμών και γωνία έναυσης 22.5 ο. Στα σημεία τομής των μονοφασικών τάσεων Va,Vb,Vc, δηλαδή τις χρονικές στιγμές στις οποίες οι τάσεις μεταγωγής είναι μηδέν, εφαρμόζονται παλμοί έναυσης με 22.5 ο καθυστέρηση για τα θυρίστορ της γέφυρας αστέρα και με επιπλέον 3 ο καθυστέρηση για τα αντίστοιχα θυρίστορ της γέφυρας τριγώνου. Για παράδειγμα στο σημείο μηδενισμού της τάσης μεταγωγής Vca που φαίνεται στο σχήμα εφαρμόζεται παλμός έναυσης στο θυρίστορ Q1 με καθυστέρηση 22.5 ο και παλμός έναυσης στο Q1 με επιπλέον καθυστέρηση 3 ο από την έναυση του Q1. H dc τάση εξόδου του ανορθωτή θα αποτελείται από τμήματα των τάσεων μεταγωγής. 19

191 Σχήμα 18: Λεπτομέρεια αγωγής θυρίστορ Η σβέση των θυρίστορ πραγματοποιείται από το ίδιο το κύκλωμα με την εφαρμογή ανάστροφης πολικότητας. Σχήμα 181: Λεπτομέρεια ελέγχου αγωγής θυρίστορ δωδεκαπαλμικού CSC ανορθωτή στο μοντέλο 191

192 Ο έλεγχος του αντιστροφέα γίνεται με όμοιο τρόπο με μοναδική διαφορά ότι η τάξη της γωνίας α που προέρχεται από τον ελεγκτή του αντιστροφέα είναι μεγαλύτερη από 9 ο. Αν αγνοηθεί η επαγωγή διαρροής των ΜΣ, η θεμελιώδης φασική τάση του μετατροπέα προηγείται του θεμελιώδους φασικού ρεύματος κατά μια γωνία που είναι ίση με α, στην λειτουργία ανόρθωσης αλλά και στην λειτουργία αντιστροφής [19]. Ένα βραχυκύκλωμα στην dc πλευρά δεν μπορεί να εξαλειφθεί αν δεν μηδενιστεί το ρεύμα. Από τις χαρακτηριστικές λειτουργίας των μετατροπέων, στην κανονική λειτουργία το dc ρεύμα ελέγχεται από τον ανορθωτή και η ροή ισχύος γίνεται από τον ανορθωτή προς τον αντιστροφέα. Για να μηδενιστεί το dc ρεύμα μέσω του ελέγχου, ο ανορθωτής εξαναγκάζεται προσωρινά σε λειτουργία αντιστροφέα όταν ανιχνεύεται ένα dc σφάλμα. Το dc σφάλμα ανιχνεύεται παρακολουθώντας την στιγμιαία τιμή της dc τάσης. Όταν η dc τάση του ανορθωτή πέσει κάτω από ένα κατώφλι τάσης (.5pu στο μοντέλο) που μπορεί να οριστεί, ένα σήμα εξαγκασμένης γωνίας α Forced_alpha στέλνεται στον έλεγχο του ανορθωτή, το οποίο ορίζεται να είναι ίσο με το μέγιστο όριο της γωνίας α (166 ο ), έτσι ώστε στο dc τερματικό του ανορθωτή να επιβληθεί προσωρινά η μέγιστη δυνατή αρνητική τάση και να μηδενίσει το dc ρεύμα. Επειδή η πτώση dc τάσης μπορεί να οφείλεται σε ένα γρήγορο μεταβατικό φαινόμενο, εφαρμόζεται μια καθυστέρηση μεταξύ της ανίχνευσης της πτώσης της dc τάσης και της αποστολής του σήματος εξαναγκασμένης γωνίας α [95]. Σχήμα 182: Μοντέλο λειτουργίων προστασία του CSC ανορθωτή Το μπλοκ DC Fault Protection δέχεται ως είσοδο την dc τάση V dl και εξαναγκάζει τον ανορθωτή σε προσωρινή λειτουργία αντιστροφέα για να μηδενίσει το ρεύμα όπως εξηγήθηκε προηγουμένως. Το μπλοκ Low AC Voltage Detection χρησιμοποιείται για να διακρίνει την πτώση της dc τάσης που προκαλείται από βύθιση της ac τάσης από την πτώση της dc τάσης που προκαλείται από dc σφάλμα. Παρακολουθεί την τάση στην ac πλευρά του 192

193 ανορθωτή και όταν είναι μικρότερη από ένα όριο (.7pu στο μοντέλο) που μπορεί να οριστεί, στέλνει σήμα στο DC Fault Protection (Lock) με σκοπό να προλάβει την ανίχνευση dc σφάλματος όταν η πτώση της dc τάσης οφείλεται σε βύθιση της ac τάσης του ανορθωτή. Το σήμα Low_ac_volt_oth προέρχεται από το αντίστοιχο μπλοκ Low AC Voltage Detection των λειτουργιών προστασίας του αντιστροφέα και στέλνεται στο DC Fault Protection με σκοπό να προλάβει την ανίχνευση dc σφάλματος όταν η πτώση της dc τάσης οφείλεται σε βύθιση της ac τάσης του αντιστροφέα. Η μέτρηση της ac τάσης U abc γίνεται στα πρωτεύοντα των ΜΣ και στα μπλοκς U dio _6p υπολογίζεται το πλάτος της τριφασικής τάσης βάσει της σχέσης 5.5. Κατόπιν το πλάτος στέλνεται στα μπλοκς Low AC Voltage Detection για να γίνει η σύγκριση με το κατώφλι τάσης [1][95]. Σχήμα 183: Μοντέλο λειτουργιών προστασίας CSC αντιστροφέα Μεταγωγή είναι η διαδικασία μεταφοράς ρεύματος μεταξύ δύο βαλβίδων με τις δύο βαλβίδες να άγουν ρεύμα ταυτόχρονα κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας.το χρονικό διάστημα που άγουν και οι δύο βαλβίδες εκφράζεται από την γωνία επικάλυψης μ. Όταν ο μετατροπέας λειτουργεί ως αντιστροφέας, μια βαλβίδα θα απενεργοποιηθεί όταν το ρεύμα της μηδενιστεί και η τάση της παραμείνει αρνητική για ένα χρονικό διάστημα ικανό για το μπλοκάρισμα της προς τα εμπρός τάσης και για την απομάκρυνση του εσωτερικά αποθηκευμένου φορτίου της, το οποίο δημιουργήθηκε κατά την περίοδο αγωγής της βαλβίδας(η περίοδος αγωγής εκφράζεται από την γωνία α+μ). Το χρονικό διάστημα στο οποίο η βαλβίδα είναι αρνητικά πολωμένη εκφράζεται από την γωνία σβέσης γ. Η αποτυχία μεταγωγής συμβαίνει όταν η μεταγωγή του ρεύματος από την μια στην βαλβίδα στην άλλη δεν έχει ολοκληρωθεί πριν η τάση η μεταγωγής αλλάξει πολικότητα. Η βαλβίδα που έπρεπε να σβήσει, αποτυγχάνει να μπλοκάρει την προς τα εμπρός τάση και η αγωγή της ξεκινά 193

194 χωρίς παλμό. Επίσης το ρεύμα της βαλβίδας στην οποία έπρεπε να γίνει η μεταγωγή μηδενίζεται γρήγορα γιατί το dc ρεύμα της γραμμής επιστρέφει στην βαλβίδα που έπρεπε να σβήσει. Ο βασικός λόγος των αποτυχιών μεταγωγής είναι ότι η γωνία γ του αντιστροφέα γίνεται πολύ μικρή κατά την διάρκεια διαταραχών. Τα ac σφάλματα επηρεάζουν την γ με την μείωση του πλάτους της τάσης, με την αύξηση του dc ρεύματος και με αλλαγές στην φάση της ac τάσης [92][7]. Αν για παράδειγμα συμβεί ένα ασύμμετρο σφάλμα στην ac πλεύρα του αντιστροφέα η γωνία γ δίνεται από την σχέση 5.6. Όπου X C η αντίδραση µεταγωγής, Ι d το dc ρεύµα, U V το δυναµικό στην ac πλεύρα της βαλβίδας, β=18 ο -α η γωνία προόδου, και Φ η φάση που προστίθεται στην τάση µεταγωγής λόγω του σφάλµατος. Φαίνεται από την σχέση 5.6 ότι η µείωση της ac τάσης, η αύξηση του dc ρεύµατος και η διαφορά φάσης Φ προκαλούν µείωση της γωνίας γ [1]. Σχήμα 184: Βlock Commutation failure Prevention Control Το μπλοκ Commutation failure Prevention control έχει ως είσοδο την τριφασική τάση στο πρωτεύον του ΜΣ του αντιστροφέα. Βασίζεται στην ομοπολική συνιστώσα της τάσης για την ανίχνευση μονοφασικού σφάλματος και στον μετασχηματισμό Clark για την ανίχνευση τριφασικού σφάλματος. Η μεταβλητή Z_DIFF είναι το μέτρο της στιγμιαίας τάσης U a +U b +U c (το τριπλάσιο της ομοπολικής συνιστώσας) και συγκρίνεται με τη σταθέρα Ζ_LEVEL που ορίζεται στο.1pu στο μοντέλο. Αν η Z_DIFF είναι μεγαλύτερη από την σταθερά σημαίνει ότι ανιχνεύθηκε μονοφασικό σφάλμα και η μεταβλητή Ζ_ΜΙΝ θα είναι η γωνία που θα αφαιρεθεί από το μέγιστο όριο της γωνίας έναυσης του αντιστροφέα. Η μεταβλητή Ζ_ΜΙΝ προκύπτει από τον κλάδο που φαίνεται στο σχήμα, ο οποίος εισάγει μια καθυστέρηση στον υπολογισμό της Z_MIN (λειτουργία MAX_HOLD) και την πολλαπλασιάζει με το κέρδος Gain το οποίο στο μοντέλο είναι 25 o /pu. Έτσι αν η Ζ_DIFF είναι.2pu για παράδειγμα, η γωνία που θα αφαιρεθεί από το μέγιστο όριο της γωνίας έναυσης του μετατροπέα θα είναι 5 ο. 194

195 Η ανίχνευση του τριφασικού σφάλματος γίνεται με βάση τον μετασχηματισμό Clark. Οι συνιστώσες α και β της τάσης είναι: Η μεταβλήτή ALPHA_BETA_SUM ισούται με το μέτρο του διανύσματος U αβ. Κατόπιν η ALPHA_BETA_SUM αφαιρείται από την φιλτραρισμένη ALPHA_BETA_SUM, η οποία είναι η έξοδος του PB_R και χρησιμοποιείται ως η τάση πριν την διαταραχή. To φίλτρο PB_R μετατρέπει το διακριτό σήμα σε συνεχές. Αν η διαφορά είναι μεγαλύτερη από την σταθερά ab_level (.1pu στο μοντέλο) ανιχνεύεται ότι μια βύθιση τάσης έχει συμβεί στην ac πλευρά του αντιστροφέα. Χρησιμοποιείται πάλι ένας κλάδος λειτουργίας MAX_HOLD για δύο λόγους: Πρώτον για να είναι η ΑΒ_ΜΙΝ dc ποσότητα επειδή η ALPHA_BETA_SUM στην έναρξη του σφάλματος παρουσιάζει ταλαντώσεις. Δεύτερον για να λειτουργήσει σωστά η πρόληψη των αποτυχιών μεταγωγής στην περίπτωση ασύμμετρων σφαλμάτων, π.χ. σφάλμα φάσης-φάσης, στα οποία δεν υπάρχει ομοπολική συνιστώσα και η ALPHA_BETA_SUM παρουσιάζει ταλαντώσεις εξαιτίας της αντίστροφης συνιστώσας της τάσης. Ο κλάδος MAX_HOLD θα υπολογίζει την AB_MIN σε κάθε περίπτωση ως dc ποσότητα. Το κέρδος Gain που υπολογίζει την AB_MIN είναι 25 o /pu. Οι γωνίες Ζ_ΜΙΝ και ΑΒ_ΜΙΝ αν και προέρχονται από την εξέταση διαφορετικών καταστάσεων σφάλματος, είναι δυνατόν να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα. Για αυτό η τελική έξοδος AMIN_CFPREV του μπλοκ επιλέγεται να είναι η μεγαλύτερη από τις δύο. Η AMIN_CFPREV ή D_alpha είναι η τελική γωνία που θα αφαιρεθεί από το μέγιστο όριο της γωνίας έναυσης (alpha_max) του αντιστροφέα σε περίπτωση ac σφάλματος, μειώνοντας την μέγιστη γωνία έναυσης και αυξάνοντας την γωνία σβέσης του αντιστροφέα ταυτόχρονα [7][1]. 5.2 Αρμονικές στην ac πλευρά και κυμάτωση στην dc πλευρά Η εξέταση γίνεται με τα φίλτρα της προηγούμενης παραγράφου και τις εξής παραμέτρους: Αντίδρασεις πρωτευόντων ΜΣ pu και αντιδράσεις δευτερευόντων ΜΣ.24pu. Dc ρεύμα 1pu Γωνία έναυσης ανορθωτή 22 ο, γωνία σβέσης αντιστροφέα 26.3 o Οι αποκρίσεις συχνότητας των ac συστημάτων δίνουν σημαντικές πληροφορίες για τους συντονισμούς σειράς και τους παράλληλους συντονισμούς στις ac πλευρές του συστήματος. Με την βοήθεια του στοιχείου Impedance Measurement και του powergui 195

196 υπολογίζονται οι αποκρίσεις συχνότητας στα PCC του ανορθωτή και του αντιστροφέα αλλά και στην dc γραμμή. Σχήμα 185: Απόκριση συχνότητας ac συστημάτων και dc γραμμής Τα ac συστήματα παρουσιάζουν ελάχιστη σύνθετη αντίσταση στις συχνότητες 55Hz και 65Hz. Αυτοί οι συντονισμοί σειράς δημιουργούνται από τα ac φίλτρα συντονισμού 11 ης και 13 ης αρμονικής. Η σύνδεση των ac φίλτρων στα επαγωγικά ac συστήματα δημιουργούν επίσης παράλληλους συντονισμούς, στην συχνότητα 156Hz στο ac σύστημα 1 και στην συχνότητα 154Hz στο ac σύστημα 2. Οι παράλληλοι συντονισμοί στα ac συστήματα ιδιαίτερα στα αδύναμα συστήματα που έχουν υψηλή σύνθετη αντίσταση, συμβαίνουν πολύ κοντά στην 2 η αρμονική και μπορεί να προκαλέσουν έντονες καταπονήσεις στον εξοπλισμό του μετατροπέα και στα ac φίλτρα σε περιπτώσεις ορισμένων διαταραχών [94]. H σύνθετη αντίσταση του ac συστήματος 1 στα 5Hz είναι 7.83Ω και του ac συστήματος 2 είναι 7.555Ω, από όπου προκύπτουν οι ενεργοί λόγοι βραχυκύκλωσης των ac συστημάτων στην ισχύ των 5MW, ΕSCR 1 =4 2 /(7.83*5)=4.56 και ΕSCR 2 =4 2 /(7.555*5)=

197 αντίστοιχα. Όσο αφορά την dc γραμμή παρατηρείται συντονισμός σειράς στην συχνότητα 24Hz η οποία είναι η συχνότητα που ενισχύεται περισσότερο στην dc πλευρά κατά την διάρκεια διαταραχών. Από την ανάλυση αρμονικών του ρεύματος της φάσης Α στους ζυγούς των μετατροπέων και στα PCC φαίνεται η επίδραση των φίλτρων. Σχήμα 186: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Brect Σχήμα 187: Αρμονικές ρεύματος στο PCC1 197

198 Σχήμα 188: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Βinv Σχήμα 189: Aρμονικές ρεύματος στο PCC2 Από την ανάλυση αρμονικών φαίνονται οι κύριες αρμονικές ρεύματος των δωδεκαπαλμικών μετατροπέων οι οποίες μειώνονται αποτελεσματικά από τα ac φίλτρα. Για να μειωθεί περαιτέρω η THD στο ac κύκλωμα συστήματος αυξάνεται η επαγωγική αντίδραση στα δευτερεύοντα των ΜΣ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την λειτουργία του ανορθωτή σε μικρότερη γωνία α και του αντιστροφέα σε μικρότερη γωνία γ όπως διαπιστώνεται από τις βασικές εξισώσεις των μετατροπέων, αλλά και την κατανάλωση μεγαλύτερης άεργου ισχύος και των απωλειών των ΜΣ. 198

199 Για επαγωγική αντίδραση.4pu στα δευτερεύοντα των ΜΣ: Σχήμα 19: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Brect για Xc=.4pu Σχήμα 191: Αρμονικές ρεύματος στο PCC1 για Xc=.4pu 199

200 Σχήμα 192: Αρμονικές ρεύματος στον ζυγό Binv για Xc=.4pu Σχήμα 193: Αρμονικές ρεύματος στο PCC2 για Xc=.4pu Η αυξημένη επαγωγική αντίδραση στα δευτερεύοντα των ΜΣ βελτίωσε σημαντικά την THD του ρεύματος στους ζυγούς των μετατροπέων. Αν και οι κύριες αρμονικές του ρεύματος των μετατροπέων εξαλείφονται στα PCC, χαμηλής τάξης αρμονικές στην ac πλευρά όπως και στην περίπτωση του VSC-HVDC συστήματος δημιουργούν μικρή THD. Η ac τάση στα PCC έχει THD μικρότερη από 1%. Η dc τάση παρουσιάζει κυμάτωση περίπου ( )/1=5% και όπως φαίνεται από την ανάλυση αρμονικών οφείλεται κυριώς στην 12 η αρμονική με πλάτος 1.15% του πλάτους της dc συνιστώσας. Το dc ρεύμα έχει συντελεστή κυμάτωσης ( )/1=3.7%. 2

201 Σχήμα 194: Αρμονικές dc τάσης CSC αντιστροφέα Σχήμα 195: Αρμονικές dc ρεύματος Με σκοπό να περιοριστούν οι συντελεστές κυμάτωσης των dc μεγεθών κάτω από 3%, αυξάνονται οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης από.5η σε.9η ώστε να μειωθούν τα πλάτη των αρμονικών του dc ρεύματος, και τοποθετούνται dc φίλτρα συντονισμένα στην 12 η αρμονική (R=5Ω L=.7H C=.1μF) στα dc τερματικά των CSC. Η μεγάλη αυτεπαγωγή εξομάλυνσης συμβάλλει επίσης στον περιορισμό του μέγιστου ρεύματος σε περίπτωση dc σφάλματος. 21

202 Σχήμα 196: Μοντέλο CSC-HVDC συστήματος με dc φίλτρα και αυξημένες αυτεπαγωγές εξομάλυνσης Σχήμα 197: Αρμονικές dc τάσης CSC αντιστροφέα με dc φίλτρα και L=.9H 22

203 Σχήμα 198: Αρμονικές dc ρεύματος με dc φίλτρα και L=.9H Η dc τάση έχει πλέον συντελεστή κυμάτωσης ( )/1=2.8% και το dc ρεύμα ( )/1=2.2%. Η επίδραση του dc φίλτρου φαίνεται από την μείωση του πλάτους της 12 ης αρμονικής της dc τάσης. 5.3 Εκκίνηση και στάσιμη κατάσταση συστήματος Τα κέρδη των ελεγκτών PI για την επίτευξη ικανοποιητικής απόκρισης του συστήματος επιλέχθηκαν βάσει των γενικών ποιοτικών κανόνων με την μέθοδο των δοκιμών (trial and error). Προσομοιώνεται η εκκίνηση και η στάσιμη κατάσταση του συστήματος για.3s. AC σύστημα 1 AC σύστημα 2 AC φίλτρα/πυκνωτές διόρθωσης Ζυγοί ανορθωτήαντιστροφέα Μετατροπείς 4kV R=24Ω L 1 =.1615H L 2 =.4878H 4kV R=17Ω L 1 =.17H L 2 =.568H 11 η αρμονική: Nominal L-L voltage and frequency [Vn(Vrms) fn(hz)]= [4e3 5] Nominal reactive power (var)=2e6 Quality factor (Q)=1 13 η αρμονική: Nominal L-L voltage and frequency [Vn(Vrms) fn(hz)]= [4e3 5] Nominal reactive power (var)=2e6 Quality factor (Q)=1 24 η αρμονική: Nominal L-L voltage and frequency [Vn(Vrms) fn(hz)]= [4e3 5] Nominal reactive power (var)=2e6 Quality factor (Q)=3 Πυκνωτές διόρθωσης: Nominal L-L voltage and frequency [Vn(Vrms) fn(hz)]= [4e3 5] Capacitive reactive power Qc (negative var) = 24e6 Base Power=5MVA Nominal Voltage=4kV Snubber resistance Rs (Ohms)=8 Snubber capacitance Cs (F)=2e-9 Ron (Ohms)=1e-3 6MVA, [V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu)]= [ 4e3*.9.25 ], [ V2 Ph-Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu) ]= [ 17e3.25.4], [ 23

204 ΜΣ ανορθωτή V3 Ph-Ph(Vrms), R3(pu), L3(pu) ]= [ 17e ] Magnetization resistance/inductance(pu)=5 6MVA, [V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu)]= [ 4e3*.96 ΜΣ αντιστροφέα.25 ], [ V2 Ph-Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu) ]= [ 17e3.25.4], [ V3 Ph-Ph(Vrms), R3(pu), L3(pu) ]= [ 17e ] Magnetization resistance/inductance(pu)=5 Αυτεπαγωγές R=1Ω L=.9H Εξομάλυνσης DC γραμμή l=313km R=.286Ω/km L=.792mH/km C=14.4nF/km DC φίλτρα R=5Ω L=.7H C=.1μF Ελεγκτής ανορθωτή Μονάδα ελέγχου παλμών Ελεγκτής αντιστροφέα Κύριος ελεγκτής [alpha max (deg), alpha min (deg) ] = [166, 5] {Current Regulator} [Kp (deg/pu), Ki (deg/pu/s), AlphaInit (deg) ] = [11, 612, 9] {Id Meas. Filter H(s)=1/(1+Ts)} T(s) =.3e-3 {VDCOL} [ VdThresh.(pu),VdMin(pu),IdMin(pu),IdMinAbs(pu),Tup(s) ] = [.6,.18,.3,.1,.8] Pulse Width (deg)= 11.5 {PLL}: Initial [Phase (deg) Frequency (Hz)]= [, 5] {PLL}: Regulator gains [Kp (rad) Ki (rad/s)]= [6, 14] [alpha max (deg), alpha min (deg) ] = [166, 118] {Current Regulator} [Kp (deg/pu), Ki (deg/pu/s), AlphaInit (deg) ]= [55, 41, 9] Current Margin (pu)=.1 {Voltage Regulator} [Kp (deg/pu), Ki (deg/pu/s), AlphaInit (deg) ] = [132, 455, 9] {Gamma Regulator} [Kp, Ki (s), AlphaInit (deg)] = [2, 85, 9 ] Gamma Margin (deg) = 35 {Id Meas. Filter H(s)=1/(1+Ts)} T(s) =.3e-3 {Vd Meas. Low-Pass 2nd Order Filter} [fo, Zeta ] = [15,.77] Voltage Margin (pu) =.5 {VDCOL} [ VdThresh.(pu),VdMin(pu),IdMin(pu),IdMinAbs(pu),Tup(s) ] = [.6,.18,.3,.1,.8] Minimum Steady-State Current Reference (pu) =.5 {Start Ramp}: [Rate (pu/s), Time (s)] = [.8,.2] {Up Ramp}: [Rate (pu/s), Time (s), Final Value (pu)] = [1.43,.4, 1] Πίνακας 5.2: Παράμετροι μοντέλου CSC-HVDC συστήματος 24

205 1 p.u..5 Vdc_rect Offset= (secs) 1 p.u..5 Id Idref _lim Offset= (secs) deg alpha_order Offset= (secs) 25

206 1 Control mode.5 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha 6=gamma Offset= (secs) 1 p.u..5 Pdc_rect Offset= (secs) Σχήμα 199: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Brect, dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, dc ισχύος αποστολής του CSC ανορθωτή στην στάσιμη κατάσταση. 1 p.u..5 Vdc_inv Vdc_ref Offset= (secs) deg 12 1 alpha_ord Offset= (secs) 26

207 6 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha 6=gamma 4 Control mode Offset= (secs) 6 gamma_mean gamma_ref 4 deg Offset= (secs) 1 p.u..5 Pdc_inv Offset= (secs) Σχήμα 2: Απόκριση dc τάσης, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, γωνίας γ, dc ισχύος παραλαβής, τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Binv του CSC αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση. 27

208 1 p.u..5 Pac PCC p.u Qac PCC p.u. -.5 Pac PCC Offset= (secs) p.u Qac PCC Σχήμα 21: Απόκριση ισχύων στα PCC1 και PCC2 στην στάσιμη κατάσταση Στο.2s ο κύριος ελεγκτής ενεργοποιεί το ελάχιστο ρεύμα αναφοράς.5pu μέσω μια ράμπας και στέλνει σήμα ενεργοποίησης στον ελέγχο των μετατροπέων. Το dc ρεύμα φτάνει στην ελάχιστη τιμή αναφοράς στο.26s. Στο.4s δημιουργείται η ράμπα αναφοράς ρεύματος και το dc ρεύμα φτάνει ομαλά στην ονομαστική τιμή του περίπου στο 1.1s, χρονική στιγμή στην οποία σταθεροποιείται και η dc τάση και επιτυγχάνεται η στάσιμη κατάσταση. Η dc τάση παρουσιάζει υπερύψωση 11% στην εκκίνηση που μπορεί να περιοριστεί με την προσωρινή μείωση του μέγιστου ορίου της γωνίας α του αντιστροφέα. Ο ανορθωτής σταθερά ελέγχει το dc ρεύμα, ενώ ο αντιστροφέας εναλλάσσει την λειτουργία ελέγχου του και τελικά σταθεροποιείται στον έλεγχο της dc τάσης στο.22s. Στην στάσιμη κατάσταση ο ανορθωτής λειτουργεί με γωνία α=16 ο και ο αντιστροφέας με γωνία γ=21 ο. Από τις βασικές εξισώσεις των μετατροπέων η dc τάση στα άκρα του ανορθωτή θεωρητικά προκύπτει: 17 Vc =.95* = kV X c =.4* = 23.78Ω Vdcro = Vc = * = kv π π 3 3 Rcr = * X c = *23.78= Ω π π o V = 2( V cos a R I ) = 2(242.45cos *1.25) = 49.32kV dcr dcro cr d 28

209 Η μέτρηση της dc τάσης του ανορθωτή στα άκρα του ανορθωτή είναι 412.5kV ενώ η dc τάση του ανορθωτή λαμβάνοντας υπόψη την πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης είναι 1.27*4=41.8 kv. Οι γωνίες των μετατροπέων επαληθεύονται από τις κυματομορφές των τάσεων και των ρευμάτων των βαλβίδων. Για τον αντιστροφέα, η γωνία σβέσης υπολογίζεται από το διάστημα μεταξύ του τέλους της αγωγής της βαλβίδας 1 και του επόμενου μηδενικού περάσματος της τάσης μεταγωγής, ή από το διάστημα στο οποίο η τάση της βαλβίδας 1 παραμένει αρνητικά πολωμένη εώς ότου καταφέρει να μπλοκάρει την προς τα εμπρός τάση. Είναι γ=.115*36 ο /.2=2.7 ο. Σχήμα 22: Γωνία γ αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Η γωνία επικάλυψης του αντιστροφέα υπολογίζεται από το διάστημα που άγουν ταυτόχρονα η βαλβίδα που τελειώνει η αγωγή της και η βαλβίδα που αρχίζει η αγωγή της. Από το διάστημα επικάλυψης των βαλβίδων 1 και 3 είναι μ=.13*36 ο /.2=23.4 ο. Θεωρητικά η γωνία επικάλυψης υπολογίζεται ως εξής µ = X I 2 2.9*1.25* 2 = V 17 c =.96 [2][15]. 1 c d 1 o o o cos [cos a ] a cos [cos136.1 ]

210 Σχήμα 23: Γωνία μ αντιστροφέα στην στάσιμη κατάσταση Για τις γωνίες του αντιστροφέα α, γ και μ ισχύει α+ γ + µ = ο ο ο = 18.2 ο 18 o Στον παρακάτω πίνακα συνοψίζονται οι τάσεις, τα ρεύματα και οι ισχείς σε φυσικά μεγεθή στους βασικούς κλάδους του κυκλώματος όπως μετρήθηκαν με την βοήθεια των στοιχείων της βιβλιοθήκης Simpowersystems. Υποσταθμός ανορθωτή Rms ρεύμα φάσης Α (kα) < Rms πολική τάση (kv) Φασική γωνία τάσης Ενεργός ισχύς(mw) Άεργος ισχύς(μvar) φάση(μοίρες) ρεύματος (μοίρες) Ζυγός PCC1.797< Ζυγός Brect.916< Κλάδος ac.47< φίλτρων ac κύκλωμα.969< στο 2 ον Υ ac κύκλωμα.967< στο 2 ον Δ Υποσταθμός αντιστροφέα Ζυγός PCC2.718< Ζυγός Binv.857< Κλάδος ac.431< φίλτρων ac κύκλωμα στο 2 ον Υ.971<

211 ac κύκλωμα στο 2 ον Δ.967< Dc γραμμή Dc ρεύμα(α) Dc τάση(kv) Ισχύς(MW) Τερματικό ανορθωτή Τερματικό αντιστροφέα Πίνακας 5.3: Τάσεις, ρεύματα και ισχείς του CSC-HVDC συστήματος στην στάσιμη κατάσταση Η άεργος ισχύς που παρέχεται από τα PCC είναι σχετικά μικρή λόγω της αντιστάθμισης. Έτσι τα ac συστήματα έχουν συντελεστές ισχύος cosφ 1 =cosφ 2 =.998. Σε αντίθεση με το VSC- HVDC σύστημα, η ροή της άεργου ισχύος γίνεται μόνο προς τους CSC. Η συνολική παρεχομένη άεργος ισχύς στον υποσταθμό του ανορθωτή είναι 296.2MVAr, από την οποία 78.86MVAr καταναλώνονται από τον ΜΣ του ανορθωτή και MVAr καταναλώνονται από τον ανορθωτή. Αντίστοιχα η παρεχόμενη άεργος ισχύς στον υποσταθμό του αντιστροφέα είναι 324MVAr, από την οποία MVAr καταναλώνονται από τον ΜΣ του αντιστροφέα και MVAr καταναλώνονται από τον αντιστροφέα. Για να διατηρήσουν τα ac συστήματα τους συντελεστές ισχύος τους όταν το σύστημα λειτουργεί σε υψηλότερο επίπεδο ισχύος θα πρέπει να αυξηθεί η αντιστάθμιση. Η ενεργός ισχύς που παρέχεται από το ac σύστημα 1 είναι MW και η ενεργός ισχύς που παραλαμβάνεται από το ac σύστημα MW, με αποτέλεσμα ο συντελεστής απόδοσης του CSC-HVDC συστήματος να είναι 95.33%. Οι απώλειες ενεργού ισχύος στους ΜΣ είναι της τάξης των 3MW και είναι ίσες με τις απώλειες χαλκού στα δευτερεύοντα των ΜΣ, εφόσον οι απώλειες σιδήρου δεν προσομοιώθηκαν, ενώ οι απώλειες ισχύος στα φίλτρα είναι αμελητέες. Οι απώλειες ισχύος των CSC γενικά είναι οι εξής: Απώλειες αγωγής: Όπως και στην περίπτωση του VSC δίνονται από την σχέση P = V I + I R 2 on f αv rms on (Σχέση 5.8) V f τάση κατωφλίου συσκευής I av μέσο ρεύμα συσκευής σε ένα κύκλο της συχνότητας της ισχύος I rms rms ρεύμα κατά την περίοδο αγωγής σε ένα κύκλο της συχνότητας της ισχύος R on αντίσταση αγωγής Απώλειες έναυσης και σβέσης: Οι απώλειες έναυσης ενός θυρίστορ δημιουργούνται όταν κατά την έναυση η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανόδου και της καθόδου είναι διαφορετική από την πτώση τάσης αν η αγωγή γινόταν σε όλη την περιοχή του θυρίστορ. Οι απώλειες αγωγής W on αποτελούνται από δύο τμήματα όπως φαίνεται στο σχήμα, από το τμήμα axial turn-οn κατά το οποίο η ανόδος και η κάθοδος εγχύουν φορτία και σχηματίζουν ένα αρχικό μονοπάτι αγωγής, και από το τμήμα plasma spread στο οποίο η αγωγή επεκτείνεται στην 211

212 περιοχή της καθόδου. Η συμβολή του τμήματος axial turn-οn στις απώλειες αγωγής είναι μικρότερη [96]. Σχήμα 24: Απώλειες έναυσης θυρίστορ Οι απώλειες έναυσης δίνονται από την παρακάτω σχέση: Οι απώλειες σβέσης οφείλονται στο ανάστροφο ρεύμα του θυρίστορ αφού μηδενιστεί η αγωγή του εώς ότου ολοκληρωθεί η αποκατάσταση του. Οι απώλειες σβέσης δίνονται από την παρακάτω σχέση: Έτσι οι συνολικές απώλειες ισχύος μετάβασης του θυρίστορ θα είναι P = f ( W + W ) (Σχέση 5.9). s on off Άλλες απώλειες: Αυτές είναι απώλειες που οφείλονται στην μονάδα τροφοδότησης παλμών, στα snubber κυκλώματα και σε άλλα προστατευτικά μέσα των διακοπτών. Στο μοντέλο οι μετατροπείς θεωρούνται σχεδόν ιδανικοί αγνοώντας τα φαινόμενα μετάβασης. Επίσης οι τάσεις κατωφλίου των θυρίστορ είναι μηδέν. Οι συνολικές απώλειες των CSC είναι το άθροισμα των απωλειών αγωγής και των απωλειών στα snubber κυκλώματα. Συμπεριλαμβάνοντας στις απώλειες των CSC τις ωμικές απώλειες των αυτεπαγωγών εξομάλυνσης που είναι *1=1.5625MW, οι συνολικές απώλειες του ανορθωτή είναι 1.84MW και έχει συντελεστή απόδοσης 99.64%, ενώ οι συνολικές απώλειες 212

213 του αντιστροφέα είναι 2.64MW και έχει συντελεστή απόδοσης 99.5%. Καθώς χρησιμοποιήθηκαν ίδιες παράμετροι για τις αντιστάσεις αγωγής των διακοπτών και για τα snubber κυκλώματα τόσο στην προσομοίωση του VSC όσο και του CSC-HVDC συστήματος, από την σύγκριση των συντελεστών απόδοσης των μετατροπέων διαπιστώνεται ότι οι CSC έχουν λιγότερες απώλειες ισχύος. Επίσης από την σύγκριση των συντελεστών απόδοσης των συστημάτων, δηλαδή του λόγου της ενεργού ισχύος αποστολής του ac συστήματος 1 προς την ενεργό ισχύ παραλαβής του ac συστήματος 2, προκύπτει ότι το CSC-HVDC σύστημα έχει συνολικά λιγότερες απώλειες ισχύος. 5.4 Βηματικές αλλαγές και αντιστροφή της ροής ισχύος Προσομοιώνονται οι εξής βηματικές αλλαγές: Στο 1.3s το dc ρεύμα αναφοράς μειώνεται από 1pu σε.6 pu και επανέρχεται στην αρχική του τιμή στο 1.7s. Στο 2s η dc τάση αναφοράς του ανορθωτή μειώνεται από 1pu σε.8pu και επανέρχεται στην αρχική τιμή της στο 2.3s. Στο 2.5s η τάση του ac συστήματος 1 παρουσιάζει μειώση.1pu για.2s. Η βύθιση τάσης εφαρμόζεται με το στοιχείο Three-Phase Programmable Voltage Source της βιβλιοθήκης Simpowersystems. Η αντιστροφή της ροής ισχύος επιτυγχάνεται μέσω της λειτουργίας εξαναγκασμένης γωνίας α στον αντιστροφέα. Στο 3.3s ενεργοποιείται η λειτουργία εξαναγκασμένης γωνίας α και μέσω ράμπας φτάνει τις 16 ο όπου σταθεροποιείται. Για την προσομοίωση της αντιστροφής της ροής ισχύος απενεργοποιούνται οι λειτουργίες προστασίας των μετατροπέων. 213

214 1 Vdc_rect p.u Offset= (secs) 1 p.u..5 Id Idref _lim Offset= (secs) 1 deg 5 alpha_order Offset= (secs) 3 2 Control mode 1 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha Offset= (secs) 1 p.u. Pdc_rect Offset= (secs) Σχήμα 25: Απόκριση τριφασικής τάσης και ρεύματος ζυγού Brect, dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου και dc ισχύος αποστολής CSC ανορθωτή σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος. 214

215 1 p.u. Vdc_inv Vdc_ref Offset= (secs) 15 1 deg 5 alpha_ord Offset= (secs) 15 1 deg gamma_mean 5 gamma_ref Offset= (secs) 215

216 6 4 Control mode 2 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha 6=gamma Offset= (secs) Σχήμα 26: Απόκριση τριφασική τάσης και ρεύματος του Binv, dc τάσης, γωνίας α, γωνίας γ και λειτουργίας ελέγχου CSC αντιστροφέα σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής της ισχύος. Σχήμα 27: Απόκριση ισχύων των PCC1 και PCC2 σε βηματικές αλλαγές και στην αντιστροφή ροής ισχύος. Στην κανονική λειτουργία ο ανορθωτής ελέγχει το dc ρεύμα και ο αντιστροφέας ελέγχει την dc τάση. Το dc ρεύμα έχει ικανοποιητική απόκριση και σταθεροποιείται σε.12s από την εφαρμογή του βήματος του ρεύματος αναφοράς και περίπου σε.9s από την επαναφορά του ρεύματος αναφοράς. Η dc τάση, εκτός από τις αιχμές που παρουσιάζει στην μετάβαση του dc ρεύματος, παραμένει σταθερή κατά την διάρκεια του βήματος και η γωνία α αυξάνεται σε 3.35 ο. Φαίνεται ότι στο 1.7s ο ανορθωτής περνάει προσωρινά σε λειτουργία ελάχιστης γωνίας α και ο αντιστροφέας σε λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης. Η μεταφερόμενη ισχύς μειώνεται ανάλογα με το dc ρεύμα. Ο έλεγχος του αντιστροφέα παραμένει ανεπηρέαστος από την βηματική αλλαγή του dc ρεύματος, ενώ η γωνία γ του αντιστροφέα γίνεται 31 ο. Οι τάσεις στην ac πλευρά των μετατροπέων αυξάνονται περίπου κατά.6pu και τα ρεύματα μειώνονται κατά.4pu. Η βηματική αλλαγή της dc τάσης αναφοράς προκαλεί στο 2s αιχμή στο dc ρεύμα που φτάνει στα 1.2pu. Το μεταβατικό φαινόμενο της dc τάσης και του dc ρεύματος που ξεκινάει στο 2s είναι μια ταλάντωση που αποσβένει γρήγορα. Όμοια μεταβατικά φαινόμενα συμβαίνουν και στην επαναφορά της dc τάσης αναφοράς στο 2.3s. Η μεταφερόμενη ισχύς 216

217 μειώνεται ανάλογα με την dc τάση ενώ το dc ρεύμα παραμένει ανεπηρέαστο. Η γωνία του α του ανορθωτή και η γωνία γ του αντιστροφέα παρουσιάζουν αύξηση, το οποίο δικαιολογείται από τις βασικές εξισώσεις των μετατροπέων. Κατά την επαναφορά της dc τάσης στην αρχική τιμή παρατηρείται ότι ο ανορθωτής περνάει προσωρινά στην λειτουργία ελάχιστης γωνίας α και ο αντιστροφέας στην λειτουργία ελάχιστης γωνίας σβέσης, όπως και στην περίπτωση της βηματικής αλλαγής του dc ρεύματος αναφοράς. Οι τάσεις στην ac πλευρά των μετατροπέων μειώνονται περίπου κατά.4pu. Μέσω του dc ρεύματος και της dc τάσης ελέγχεται το επίπεδο της μεταφερόμενης ισχύος στο CSC-HVDC σύστημα. Από τις κυματομορφές των ισχύων στα PCC φαίνεται ότι οι μεταβολές του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος επηρεάζουν την άεργο ισχύ που απορροφάται ή προσφέρεται στα ac συστήματα. Οι αλλαγές της άεργου ισχύος επηρεάζουν επίσης τις ac τάσεις των μετατροπέων, οι οποίες δεν μπορούν να ελεγχθούν μέσω της άεργου ισχύος. Η βύθιση της τάσης στο ac σύστημα 1 προκαλεί μείωση της dc τάσης και ρεύματος, όπως και της μεταφερόμενης ισχύος. Στην dc πλευρά παρατηρούνται ταλαντώσεις συχνότητας 1Hz. O ανορθωτής περνάει στην λειτουργία ελάχιστης γωνίας α και ο αντιστροφέας στην λειτουργία ελάχιστης γωνίας γ. Η αποκατάσταση του συστήματος συμβαίνει σε.35s μετά το τέλος της βύθισης τάσης (3.5s). Κατά την διάρκεια της αντιστροφής της ροής ισχύος ο ανορθωτής ελέγχει το dc ρεύμα, το οποίο παραμένει σταθερό. Οι ac τάσεις στους ζυγούς των μετατροπέων μειώνονται, ενώ η μέγιστη άεργος ισχύος καταναλώνεται από τους μετατροπείς την χρονική στιγμή στην οποία μηδενίζεται η ενεργός ισχύς. Τελικά οι dc τάσεις αλλάζουν πολικότητα και οι μετατροπείς αλλάζουν την λειτουργία τους, πράγμα το οποίο διαπιστώνεται και από την γωνία έναυσης των βαλβίδων τους. Η αλλαγή πολικότητας της dc τάσης που απαιτείται για την αντιστροφή της ροής ισχύος θεωρείται μειονέκτημα του CSC-HVDC συστήματος, γιατί προκαλεί καταπονήσεις στα καλώδια και δεν είναι πρακτική στα πολυτερματικά συστήματα. 5.5 Dc σφάλματα Σχήμα 28: Μοντέλο για την προσομοίωση dc σφαλμάτων στο CSC-HVDC σύστημα 217

218 Προσομοιώνονται διαδοχικά δύο παροδικά dc σφάλματα με αντίσταση σφάλματος 1Ω: Στο 1.4s dc σφάλμα στην πλευρά του ανορθωτή διάρκειας 5 κύκλων. Στο 2.1s dc σφάλμα στην πλευρά του αντιστροφέα διάρκειας 2 κύκλων. 1 p.u. -1 Vdc_rect Offset= (secs) 2 1 p.u. Id Idref _lim Offset= (secs) 15 1 deg alpha_order Offset= (secs) 4 Control mode 2 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha Offset= (secs) 218

219 2 p.u. Pdc_rect Offset= (secs) Σχήμα 29: Απόκριση dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, dc ισχύος αποστολής, τριφασικής τάσης και ρεύματος στον ζυγό Brect του CSC ανορθωτή στα dc σφάλματα 1 p.u. -1 Vdc_inv Vdc_ref Offset= (secs) 1 p.u..5 Id Idref _lim Offset= (secs) 219

220 16 14 deg 12 1 alpha_ord Offset= (secs) 6 4 deg 2 gamma_mean gamma_ref Offset= (secs) 6 4 Control mode 2 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha 6=gamma Offset= (secs) 1 p.u. Pdc_inv Offset= (secs) Σχήμα 21: Απόκριση dc τάσης, dc ρεύματος, γωνίας α, γωνίας γ, λειτουργία ελέγχου, dc ισχύος παραλαβής, τριφασικής τάσης και ρεύματος Binv του CSC αντιστροφέα στα dc σφάλματα. 22

221 Μόλις συμβεί το dc σφάλμα στην πλευρά του ανορθωτή το dc ρεύμα ραγδαία αυξάνεται στα 1.8 pu, η dc τάση του ανορθωτή μηδενίζεται και η dc τάση του αντιστροφέα παρουσιάζει μια αποσβενύμενη ταλάντωση. Το peak του dc ρεύματος περιορίζεται από την αυτεπαγωγή εξομάλυνσης. Η πτώση της dc τάσης ανιχνεύεται από τον ελεγκτή VDCOL και από την dc προστασία του ανορθωτή. Ο ελεγκτής VDCOL του ανορθωτή περιορίζει την αναφορά του ρεύματος του ανορθωτή στα.3pu μόλις η dc τάση του ανορθωτή πέσει κάτω από.6pu. Ο ελεγκτής VDCOL του αντιστροφέα όμοια μειώνει την αναφορά του ρεύματος του αντιστροφέα. Στο 1.472s η dc προστασία του ανορθωτή στέλνει το σήμα Forced_alpha στον έλεγχο του ανορθωτή και ο ανορθωτής εξαναγκάζεται να λειτουργήσει με την μέγιστη γωνία α (166 ο ) ως αντιστροφέας. Έτσι η dc τάση γίνεται προσωρινά αρνητική και η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην dc γραμμή επιστρέφει στο ac δίκτυο, προκαλώντας πολύ γρήγορη εξάλειψη του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Ταυτόχρονα ο αντιστροφέας βρίσκεται σε λειτουργία ελάχιστης γωνίας α (118 ο ). Μετά το τέλος του dc σφάλματος στο 1.5s, η dc τάση αρχίζει να επανέρχεται. Η ράμπα ανόδου του VDCOL εφαρμόζεται στο 1.61s και το dc ρεύμα αποκαθίσταται περίπου στο 1.72s. Η μικρή καθυστέρηση που παρατηρείται μεταξύ της ράμπας ανόδου και του dc ρεύματος οφείλεται στην χρήση ενός χαμηλοπερατού φίλτρου από την μονάδα του VDCOL. Κατά την διάρκεια του σφάλματος η μεταφερόμενη ισχύς είναι μηδέν, οι ac τάσεις των μετατροπέων παρουσιάζουν μικρή αύξηση, ενώ το ρεύμα στην ac πλευρά του ανορθωτή φτάνει τα 2pu. Η συμπεριφορά του συστήματος στο dc σφάλμα στην πλευρά του αντιστροφέα είναι όμοια. Λόγω της μικρής διάρκειας του σφάλματος δεν ενεργοποιείται σε αυτή την περίπτωση το σήμα Forced_alpha από την dc προστασία του ανορθωτή. Μετά την αποκατάσταση των dc σφαλμάτων ο αντιστροφέας ελέγχει την γωνία γ για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα της dc τάσης, ενώ κατά την διάρκεια της ράμπας ανόδου του VDCOL και οι δύο μετατροπείς ελέγχουν το dc ρεύμα. Από τις προσομοιώσεις των dc σφαλμάτων διαπιστώνεται ότι ο ελέγχος του συστήματος μπορεί να εξαλείψει τα ρεύματα βραχυκυκλώσης γρήγορα χωρίς την χρήση μέσων προστασίας και να αποκαταστήσει γρήγορα και ομαλά την στάσιμη κατάσταση. 5.6 Ac σφάλματα Σχήμα 211: Μοντέλο για την προσομοίωση των ac σφαλμάτων στο CSC-HVDC σύστημα 221

222 Προσομοιώνονται 4 διαδοχικά ac σφάλματα: Στο 1.3s τριφασικό σφάλμα 5 κυκλών στο PCC του ανορθωτή. Στο 1.82s τριφασικό σφάλμα 5 κυκλών στο PCC του αντιστροφέα. Στο 2.51s μονοφασικό σφάλμα 5 κύκλων(φάση Α) στο PCC του αντιστροφέα. Στο 3.11s σφάλμα 5 κύκλων μεταξύ της φάσης Α και της φάσης Β στο PCC αντιστροφέα. Τα στοιχεία Three-phase Fault έχουν αντίστασης σφάλματος 1mΩ και αντίσταση γείωσης 1mΩ, ενώ ο διακόπτης που προσομοιώνει το σφάλμα γραμμής γραμμής έχει αντίσταση σφάλματος 1mΩ. 2 1 p.u. Vdc_rect Offset= (secs) deg 5 alpha_order Offset= (secs) 222

223 3 2 Control mode 1 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha Offset= (secs) Σχήμα 212: Απόκριση dc τάσης, γωνίας α, λειτουργίας ελέγχου, τριφασικής και ρεύματος Brect του CSC ανορθωτή στα ac σφάλματα. 2 p.u. 1 Id Idref _lim Offset= (secs) 1.5 p.u. -.5 Pdc_inv Offset= (secs) 223

224 16 14 deg 12 1 alpha_ord Offset= (secs) 1 deg 5 gamma_mean gamma_ref Offset= (secs) 6 4 Control mode 2 Control Mode: =blocked 1=current 2=voltage 3=alpha min 4=alpha max 5=forced alpha 6=gamma Offset= (secs) Σχήμα 213: Απόκριση dc ρεύματος, dc ισχύος παραλαβής, γωνίας α, γωνίας γ, λειτουργίας ελέγχου, τριφασικής τάσης και ρεύματος Binv του CSC αντιστροφέα στα ac σφάλματα. 224

225 1 p.u..5 p.u Pac PCC Qac PCC p.u. -.5 Pac PCC2 Offset= (secs) p.u Qac PCC deg 1 5 A_min_I Offset= (secs) Σχήμα 214: Απόκριση ισχύων PCC1 KAI PCC2 και σήμα D_alpha στα ac σφάλματα 225

226 Σχήμα 215: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια 3φ σφάλματος στο PCC αντιστροφέα. Σχήμα 216: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια 1φ σφάλματος στο PCC αντιστροφέα. 226

227 Σχήμα 217: Ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Υ και ρεύματα βαλβίδων του εξαπαλμικού CSC του αντιστροφέα που συνδέεται στο 2ον Δ κατά την διάρκεια σφάλματος γραμμής-γραμμής στο PCC αντιστροφέα. Το τριφασικό σφάλμα στο PCC του ανορθωτή προκαλεί ακαριαία την βύθιση της dc τάσης και τον μηδενισμό του dc ρεύματος. Η επαναφορά του dc ρεύματος γίνεται μέσω της ράμπας ανόδου των ελεγκτών VDCOL μόλις εκκαθαριστεί το σφάλμα και η dc τάση στον ανορθωτή φτάνει μέχρι τα 1.78pu. Κατά την διάρκεια του σφάλματος ο ανορθωτής και ο αντιστροφέας λειτουργούν με την ελάχιστη γωνία α. Το τριφασικό σφάλμα στο PCC του αντιστροφέα προκαλεί απότομη αύξηση του dc ρεύματος στα 1.72pu, μηδενισμό της dc τάσης και την ενεργοποίηση των ελεγκτών VDCOL. Η ομαλή επαναφορά του dc ρεύματος μέσω ράμπας ανόδου αποτρέπει επιπλέον αποτυχίες μεταγωγής λόγω απότομης αύξησης του ρεύματος. Η dc τάση παίρνει επίσης παροδικά αρνητική τιμή, πράγμα το οποίο αντανακλάται και στην κυματομορφή της γωνία α του ανορθωτή. Συμβαίνουν αποτυχίες μεταγωγής των βαλβίδων 3 και 4 της γέφυρας που συνδέεται στο δευτερεύον αστέρα και των βαλβίδων 2 και 3 της γέφυρας που συνδέεται στο δευτερεύον τριγώνου, με αποτέλεσμα να είναι βραχυκυκλωμένη η dc πλευρά. Το τριφασικό σφάλμα ανιχνεύεται από το μπλοκ Commutation Failure Prevention Control, του οποίου η έξοδος Α_min_I (ή D_alpha) στέλνεται στον έλεγχο του αντιστροφέα για να μειωθεί το μέγιστο όριο της γωνίας α του αντιστροφέα και να αυξηθεί το περιθώριο μεταγωγής κατά την διάρκεια του σφάλματος και έως ότου αποκατασταθεί η στάσιμη κατάσταση. Η αποκατάσταση της στάσιμης κατάστασης συμβαίνει περίπου σε.32s από την εκκαθάριση του σφάλματος και ο αντιστροφέας λειτουργεί προσωρινά με την ελάχιστη γωνία σβέσης. 227