Μοντελοποίηση και Ανάλυση Δυναμικής Ευστάθειας της Ηλεκτρικής Διασύνδεσης των Κυκλάδων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μοντελοποίηση και Ανάλυση Δυναμικής Ευστάθειας της Ηλεκτρικής Διασύνδεσης των Κυκλάδων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γεώργιος Ι. Ρογδάκης Επιβλέπων : Νικόλαος Δ. Χατζηαργυρίου Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Ιούλιος 2008

2 2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μοντελοποίηση και Ανάλυση Δυναμικής Ευστάθειας της Ηλεκτρικής Διασύνδεσης των Κυκλάδων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γεώργιος Ι. Ρογδάκης Επιβλέπων : Νικόλαος Δ. Χατζηαργυρίου Καθηγητής ΕΜΠ Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 16 η Ιουλίου Ν. Χατζηαργυρίου Ε. Διαλυνάς Καθηγητής ΕΜΠ Καθηγητής ΕΜΠ Σ. Παπαθανασίου Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Ιούλιος 2008

4 ... Γεώργιος Ι. Ρογδάκης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Γεώργιος Ι. Ρογδάκης Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All right reerved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον καθηγητή κ. Ν. Χατζηαργυρίου για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας και για τις διεισδυτικές και χρήσιμες παρατηρήσεις του που αποτέλεσαν το έναυσμα για περαιτέρω έρευνα και προσπάθεια. Πολλές ευχαριστίες οφείλω επίσης στον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ε.Βουμβουλάκη για την πρόθυμη ανταπόκρισή του στα συνεχή μου αιτήματα για ενημέρωση. Με τη διαρκή ανταλλαγή απόψεων με βοήθησε να αποκτήσω την απαραίτητη υποδομή για την θεωρητική και πρακτική προσέγγιση, επεξεργασία και αξιοποίηση ενός τεράστιου σε σύνθεση και ποικιλία υλικού. Η συνεργασία του υπήρξε πολύτιμη για την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας 5

6 Abtract Thi diploma thei deal with the Interconnection of the Cycladic iland with the Continental Electric Sytem of Greece. It examine the frequency tability of the Cycladic iland after their connection with the Interconnected Sytem. The modeling of the Sytem and the Interconnection i done by uing the oftware Eurotag. Moreover imulation are conducted in order to tudy the reult of different fault, a the opening of the AC line between Evoia and Andro or the hort circuit at the node of Andro. In chapter 2, a brief decription of the Interconnected Sytem of Greece i preented. Furthermore i preented the current and future tatu of the demand and production of Electric Power in the Cycladic iland. In chapter 3, the tranmiion of Electric Power with High Voltage Direct Current i preented and i decribed the converion AC/DC/AC. In chapter 4, i preented the tability problem i made a claification of the tability problem. In chapter 5 and 6, i decribed the Software ued in thi diploma thei (Eurotag) and the modeling of the Electric Sytem of Greece and the Interconnection. In chapter 7, the reult of the tudy are preented. Key word Eurotag, High Voltage Direct Current, Frequency Stability, Frequency and Active Power Control, Short Circuit, Interconnected Sytem, Converter AC/DC/AC, 6

7 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης της επίδρασης στη δυναμική ευστάθεια του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας του νησιωτικού συμπλέγματος των Κυκλάδων, μετά την σύνδεση του με γραμμή Συνεχούς Ρεύματος Υψηλής Τάσης με το διασυνδεδεμένο Σύστημα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση του Συστήματος καθώς και της Διασύνδεσης με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης στο λογισμικό πακέτο Eurotag, καθώς και η διεξαγωγή προσομοιώσεων για τη μελέτη των επιδράσεων που θα έχουν διάφορα σφάλματα στην ευστάθεια συχνότητας και τάσης του συστήματος. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μία σύντομη περιγραφή του Ελληνικού Διασυνδεδεμένου Συστήματος, καθώς και αναφορά στην παρούσα κατάσταση ηλεκτροδότησης και ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας στα νησιά των Κυκλάδων. Στο κεφάλαιο 3, αναφέρονται λεπτομέρειες για τα συστήματα μεταφοράς με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης όπως επίσης και για τη λειτουργία των μετατροπέων AC/DC/AC. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα είδη ευστάθειας ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας. Επίσης γίνεται προσέγγιση της ευστάθειας χαμηλού σήματος του συστήματος μέσω του υπολογισμού των ιδιοτιμών του πίνακα κατάστασης. Τα κεφάλαια 5 και 6 περιλαμβάνουν την περιγραφή του προγράμματος Eurotag που χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της διασύνδεσης καθώς και την μοντελοποίηση του Συστήματος και της Διασύνδεσης. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα της εργασίας. Λέξεις κλειδιά Eurotag, Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης, Ευστάθεια Συχνότητας, Έλεγχος Συχνότητας και Ενεργούς Ισχύος, Βραχυκύκλωμα, Διασύνδεση Συστημάτων, Μετατροπείς AC/DC/AC, Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα 7

8 8

9 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1- Εισαγωγή Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας Στόχος Οργάνωση του τόμου...14 Κεφάλαιο 2- Το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα Γενικά Μελέτες διασύνδεσης Προκαταρκτική μελέτη διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα Υλοποίηση Σύνδεσης Λαυρίου-Σύρου Υλοποίηση Σύνδεσης με Συνεχές Ρεύμα Υλοποίηση Σύνδεσης με Εναλλασσόμενο Ρεύμα Χρονοπρογραμματισμός έργων Παρούσα κατάσταση ηλεκτροδότησης και ζήτησης ενέργειας στις Κυκλάδες Αυτόνομοι Σταθμοί Παραγωγής Υπάρχοντα Αιολικά Πάρκα Πρόβλεψη φορτίων Καλώδια που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς Μετασχηματιστές...28 Κεφάλαιο 3- Σύστημα Μεταφοράς με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης Συστήματα μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Συστήματα Μεταφοράς HVDC Στοιχεία Συστήματος μεταφοράς HVDC Μετατροπείς Γενικά-Λειτουργία Θυρίστορ Ανορθωτές Αντιστροφείς

10 Εξισώσεις μετατροπέων Τρόποι διασύνδεσης των ανορθωτικών διατάξεων Τεχνολογία HVDC Light...53 Κεφάλαιο 4- Ευστάθεια ΣΗΕ Ορισμός Κατηγοριοποίηση φαινομένων ευστάθειας ΣΗΕ Ευστάθεια γωνίας Ευστάθεια τάσης Ευστάθεια συχνότητας Έλεγχος συχνότητας Ιδιοτιμές πίνακα συστήματος Ανανπαράσταση της σταθερής κατάστασης συστήματος Γραμμικοποίηση Ιδιοτιμές και ευστάθεια συστήματος Εκτίμηση ασφάλειας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας...64 Κεφάλαιο 5- Το μοντέλο προσομοίωσης Eurotag Εισαγωγή Λειτουργία του Eurotag Τεχνική περιγραφή του Eurotag Μοντελοποίηση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας στο Eurotag...73 Κεφάλαιο 6- Έλεγχος HVDC- Μοντελοποίηση της διασύνδεσης HVDC στο Eurotag Έλεγχος του HVDC συστήματος Περιθώριο ρεύματος Περιορισμός της τάξης του ρεύματος από την τάση (Voltage dependent Current Order Limit) Μοντελοποίηση στο Eurotag Mater Controller Έλεγχος συχνότητας Περιοριστής ρεύματος Ελεγκτής γωνίας έναυσης και ρεύματος

11 6.7. Ρυθμιστής γωνίας σβέσης Μοντέλο μετατροπέα Δίκτυο HVDC...97 Κεφάλαιο 7- Προσομοιώσεις και αποτελέσματα Εισαγωγή Αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας προσομοίωσης Αποτελέσματα και συμπεράσματα Ανάλυση του συστήματος για τη χρονιά Λειτουργική κατάσταση Α: Μέγιστη ζήτηση ισχύος- Μέγιστη Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Β: Μέγιστη ζήτηση ισχύος- Μηδενική Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Γ: Ελάχιστη ζήτηση ισχύος- Μηδενική Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Δ: Ελάχιστη ζήτηση ισχύος- Μέγιστη Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Α1: Μέγιστη ζήτηση ισχύος- Μέγιστη Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Δ1: Ελάχιστη ζήτηση ισχύος- Μηδενική Αιολική παραγωγή Συμπεράσματα Ιδιοτιμές πίνακα κατάστασης για τη χρονιά Λειτουργική κατάσταση Α: Μέγιστη ζήτηση ισχύος- Μέγιστη Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Β: Μέγιστη ζήτηση ισχύος- Μηδενική Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Γ: Ελάχιστη ζήτηση ισχύος- Μηδενική Αιολική παραγωγή Λειτουργική κατάσταση Δ: Ελάχιστη ζήτηση ισχύος- Μέγιστη Αιολική παραγωγή Συμπεράσματα Κεφάλαιο 8- Συμπεράσματα

12 8.1. Αναγκαιότητα Διασύνδεσης Συμπεράσματα κεφαλαίων Παραρτήματα Παράρτημα Παράρτημα Παράρτημα Βιβλιογραφία

13 Κεφάλαιο 1-Εισαγωγή 1.1 Αντικείμενο διπλωματικής εργασίας Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το θέμα της διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα. Η σύνδεση θα γίνει μέσω Ευβοίας-Άνδρου με Εναλλασσόμενο Ρεύμα και μέσω Λαυρίου-Σύρου με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης. Όσον αφορά τα νησιά των Κυκλάδων που αφορά η σύνδεση είναι η Άνδρος, η Τήνος, η Σύρος, η Μύκονος, η Πάρος και η Νάξος. Εξετάζεται η δυναμική ευστάθεια της συχνότητας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας για τη μέγιστη και την ελάχιστη ζήτηση ισχύος των ετών 2020, 2025, 2030 και 2035, όπως και η ελάχιστη και μέγιστη αιολική παραγωγή κατά τις ίδιες χρονικές περιόδους. Σε κάθε περίπτωση εξετάζεται η δυναμική ευστάθεια του συστήματος κατά την πραγματοποίηση των ακόλουθων διαταραχών: 1. Άνοιγμα της γραμμής Εύβοια-Άνδρος 2. Άνοιγμα της γραμμής Εύβοια-Άνδρος και αύξηση του φορτίου κατά 10% 3. Βραχυκύκλωμα στο ζυγό της Άνδρου και εκκαθάρισή του με άνοιγμα της γραμμής Εύβοια-Άνδρος Επίσης εξετάζεται η επίδραση στο σύστημα της χρησιμοποίησης ανεμογεννητριών διαφορετικού τύπου, όταν πραγματοποιούνται οι προαναφερθείσες διαταραχές. Τέλος εξετάζεται η δυναμική ευστάθεια του συστήματος μέσω της εύρεσης των ιδιοτιμών του πίνακα κατάστασης του συστήματος. 1.2 Στόχος Στόχος της διπλωματικής αυτής είναι, βάσει της συγκεκριμένης τοπολογίας που πραγματοποιείται η διασύνδεση, να εξετάσει την επίδραση της σύνδεσης με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης (HVDC) στην δυναμική ευστάθεια του συστήματος. Κύριο μέλημα είναι η εξέταση, σε περίπτωση που η γραμμή Εύβοια-Άνδρος τεθεί εκτός λειτουργίας, αν το HVDC μπορεί να διατηρήσει και να ελέγξει ικανοποιητικά την συχνότητα του συστήματος. 13

14 1.3 Οργάνωση του τόμου Το κεφάλαιο 1 είναι η εισαγωγή της διπλωματικής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται η ιστορική αναδρομή του έργου της διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα. Επίσης παρουσιάζεται αναλυτικά το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Στο κεφάλαιο 3 αναφέρονται τα βασικά στοιχεία για την σύνδεση με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης. Επίσης γίνεται ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των μετατροπέων. Στο κεφάλαιο 4 ορίζεται η ευστάθεια ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας ενώ γίνεται και κατηγοριοποίηση των φαινομένων ευστάθειας. Στο κεφάλαιο 5 αναφέρεται το μοντέλο προσομοίωσης Eurotag και πως γίνεται η μοντελοποίηση ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας στο Eurotag. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται ο τρόπος ελέγχου των μετατροπέων καθώς επίσης και ο τρόπος μοντελοποίησης της HVDC διασύνδεσης στο Eurotag. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η διαδικασία προσομοίωσης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματά της. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα από τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε μέσω της διπλωματικής εργασίας. 14

15 Κεφάλαιο 2-Το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας 2.1. Γενικά Η διασύνδεση των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό σύστημα είναι ένα έργο απαραίτητο για τα νησιά των Κυκλάδων, καθώς η συνεχής ανάπτυξη τους δεν μπορεί εξ ολοκλήρου να καλυφθεί από τοπικούς σταθμούς παραγωγής, λόγω και των περιορισμένων δυνατοτήτων ανάπτυξης των τελευταίων. Οι πρώτες μελέτες για τον τρόπο διασύνδεσης πραγματοποιήθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 80, ενώ άρχισαν να τίθενται σε εφαρμογή από τα μέσα της δεκαετίας του 90. Μέχρι σήμερα έχει ολοκληρωθεί ένα σημαντικό μέρος του αρχικού σχεδιασμού (υποβρύχια και εναέρια τμήματα της διασύνδεσης Άνδρου και Τήνου, χάραξη της γραμμής Υ.Τ επί της Τήνου, πόντιση υποβρυχίων καλωδίων 66 kv Τήνου-Σύρου και Τήνου-Μυκόνου, χάραξη των γραμμών μεταφοράς 66 kv επί της Τήνου μέχρι τα σημεία προσαιγιάλωσης των καλωδίων Τήνου-Σύρου και Τήνου-Μυκόνου). Η ολοκλήρωση της διασύνδεσης δεν έχει πραγματοποιηθεί ακόμα εξαιτίας προσφυγών κατοίκων των νησιών Τήνου, Σύρου και Μυκόνου στο Συμβούλιο της Επικρατείας που οδήγησαν σε δικαστικές αποφάσεις ακύρωσης των περιβαλλοντικών όρων του έργου. Απαγορεύτηκε η ανάπτυξη δικτύου Υ.Τ στα μικρά νησιά καθώς θεωρήθηκε ότι με αυτόν τον τρόπο δινόταν η δυνατότητα να συντελεστεί πολιτιστική και περιβαλλοντική καταστροφή τους, ενώ συνέστησε την αξιοποίηση των ανανεώσιμων και ήπιων μορφών ενέργειας. Μετά από πολλαπλές προσφυγές και δικαστικές αποφάσεις τελικά επετράπη η ολοκλήρωση κάποιων εκ των προγραμματισμένων έργων και η κατασκευή κάποιων νέων, όπως η κατασκευή μόνιμου Υποσταθμού στην Άνδρο, ο οποίος και κατασκευάζεται, και του δικτύου Υ.Τ. στην Τήνο, έργο το οποίο όμως δεν υλοποιείται λόγω εκκρεμοδικίας. 2.2 Μελέτες διασύνδεσης Κατά την διάρκεια όλων αυτών των ετών πραγματοποιήθηκαν αρκετές μελέτες, στις οποίες όμως δεν κρίνουμε σκόπιμο να αναφερθούμε εκτενώς. Η τελευταία μελέτη με ονομασία «Προκαταρτική Μελέτη Διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα» ήταν και αυτή που καθόρισε την τελική μορφή του δικτύου. 15

16 2.2.1 Προκαταρτική μελέτη διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα Στη μελέτη αυτή εξετάστηκαν αναλυτικά 3 επιλογές [1] 1 0 σενάριο: συνέχιση της τροφοδότησης των νησιών μόνο από την Εύβοια (επέκταση μέχρι την Πάρο) και συμπληρωματική ανάπτυξη των σταθμών παραγωγής στα νησιά 2 0 σενάριο: δημιουργία διασύνδεσης Λαύριο-Σύρος με συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα και διατήρηση της διασύνδεσης της Εύβοιας (επέκταση μέχρι τη Σύρο) 3 0 σενάριο: ανάπτυξη νέων αυτόνομων σταθμών παραγωγής στα νησιά με διατήρηση της γραμμής της Εύβοιας. Τα παραπάνω σενάρια εξετάστηκαν διεξοδικά, ώστε να βρεθεί η οικονομικά και τεχνικά βέλτιστη λύση για την ηλεκτροδότηση των Κυκλάδων, με ταυτόχρονη επιδίωξη την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, σύμφωνα με τις αποφάσεις του Σ.τ.Ε. Η μελέτη αυτή κάλυπτε την περίοδο και προέβλεπε τα ακόλουθα: Μη κατασκευή νέων εναέριων γραμμών Υψηλής Τάσης 150 kv επί των νησιών Κατασκευή νέων υποσταθμών Υ.Τ./Μ.Τ. με στόχο τον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και της καταλαμβανόμενης έκτασης Περιορισμό της ανάπτυξης των Τοπικών Σταθμών Παραγωγής με πετρέλαιο Διευκόλυνση της αξιοποίησης των τοπικών Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και της Γεωθερμίας Εξασφάλιση σε κάθε περίπτωση της τροφοδότησης, ανεξαρτήτως βλάβης ενός στοιχείου του Συστήματος (κριτήριο N-1). Η οικονομική αξιολόγηση κάθε σεναρίου πραγματοποιείται σε άλλη διπλωματική εργασία [2] και δεν είναι αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Η ομάδα εργασίας για την Διασύνδεση των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα προέκρινε τελικά προς υλοποίηση το σενάριο Β, δηλαδή την πραγματοποίηση της διασύνδεσης μέσω του Λαυρίου [3]. Σύμφωνα με το σενάριο αυτό, ποντίζεται νέο υποβρύχιο καλώδιο που συνδέει το Λαύριο με το Σύρο, ενώ και η υφιστάμενη σύνδεση Ευβοίας-Άνδρου επεκτείνεται μέχρι τη Σύρο. Τα νησιά Άνδρος και Τήνος θα τροφοδοτούνται μέσω της γραμμής Εύβοιας-Άνδρου, ενώ τα νησιά Πάρος, Νάξος και Μύκονος μέσω της σύνδεσης 16

17 Λαυρίου-Σύρου. Σε περίπτωση διακοπής από το Ηπειρωτικό Σύστημα, η τροφοδότηση όλων των νησιών θα γίνεται μέσω της γραμμής Εύβοιας-Άνδρου. Η σύνδεση Λαυρίου-Σύρου μπορεί να γίνει με δύο τρόπους, είτε με Εναλλασσόμενο Ρεύμα (AC) είτε με Συνεχές Ρεύμα (DC) Υλοποίηση Σύνδεσης Λαυρίου-Σύρου Όπως αναφέρθηκε, η σύνδεση μπορεί να γίνει είτε με Εναλλασσόμενο Ρεύμα (AC) είτε με Συνεχές Ρεύμα (DC). Η ομάδα εργασίας εξέτασε εκ νέου τοπολογίες και τελικά η τοπολογία που προκρίθηκε (σχήμα 2.1) ήταν αυτή που είχε ως κύριο στόχο τον περιορισμό των έργων μεταφοράς επί των νησιών. Η χρονική περίοδος στην οποία θα γίνει η υλοποίηση της διασύνδεσης είναι Το έργο διακρίνεται σε τρεις φάσεις: Υλοποίηση Σύνδεσης με Συνεχές Ρεύμα Α φάση (περίοδος ): Κατά την πρώτη φάση του έργου δεν κατασκευάζονται νέες Γραμμές Μεταφοράς ή Υποσταθμοί. Η κάλυψη των φορτίων της Άνδρου και της Τήνου πραγματοποιείται μέσω της υφιστάμενης διασύνδεσης 150 kv και του δικτύου των 20 kv. Αυτή την περίοδο η κάλυψη των φορτίων της Σύρου και της Μυκόνου πραγματοποιείται από τους Τοπικούς Σταθμούς Παραγωγής, ενώ υπάρχει δυνατότητα κάλυψης μικρού μέρους του φορτίου μέσω της Εύβοιας. Η κάλυψη των φορτίων Πάρου και Νάξου γίνεται από τον Αυτόνομο Σταθμό Παραγωγής της Πάρου. Β φάση (περίοδος ): Σε αυτή την φάση του έργου προβλέπεται η κατασκευή τεσσάρων νέων υποσταθμών 150/20 kv στις νήσους Σύρο, Πάρο, Νάξο και Μύκονο. Στην περίπτωση που η διασύνδεση στο Λαύριο πραγματοποιηθεί με συνεχές ρεύμα, θα κατασκευαστεί ένας σύνδεσμος Σ.Ρ. μεταξύ Λαυρίου-Σύρου, ισχύος 200 MW και μήκους 100 km και θα εγκατασταθεί ένας μετατροπέας Ε.Ρ/Σ.Ρ σε κάθε άκρο του. Σε αυτήν την τοπολογία πραγματοποιείται η ακτινική σύνδεση της Σύρου με τα υπόλοιπα νησιά (Πάρο, Νάξο, Μύκονο). Έτσι ποντίζονται υποβρύχια καλώδια 150 kv Ε.Ρ. με πλαστική μόνωση: Σύρος-Άνδρος 32 km (1x3πολικό/140 MVA) Σύρος-Μύκονος 36 km(2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/ 140 MVA) Σύρος-Πάρος 50 km (2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/280 MVA) 17

18 Πάρος-Νάξος 16 km (2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/140 MVA) Σχήμα 2.1: Τοπολογία διασύνδεσης Επίσης εξετάζεται και η σύνδεση της Σύρου με την Τήνο αντί της σύνδεσης της Άνδρου με την Σύρο, για την εκμετάλλευση του τμήματος 3,2 km Άνδρου-Τήνου και την εξασφάλιση δυνατότητας μελλοντικής εγκατάστασης υποσταθμού 150/20 kv στην Τήνο. Εναλλακτικά, αντί των ακτινικών συνδέσεων από την Σύρο προς τα υπόλοιπα νησιά, προτείνεται η πόντιση απλών τριπολικών καλωδίων και η δημιουργία βρόχου Σύρος- 18

19 Πάρος-Νάξος-Μύκονος-Σύρος. Η λύση αυτή προσφέρει μεγαλύτερη αξιοπιστία λόγω της δυνατότητας εξυπηρέτησης των νησιών από διαφορετική διαδρομή καλωδίων, μειωμένη περιβαλλοντική επιβάρυνση λόγω της αποφυγής πολλών καλωδίων σε μια διαδρομή, ευκολότερη διαχείριση των καλωδίων στους υποσταθμούς των νησιών και κυρίως της Σύρου, καθώς και χαμηλότερο κόστος εξαιτίας του μικρότερου μήκους πόντισης καλωδίων. Σε αυτή την περίπτωση τα καλώδια που ποντίζονται είναι: Σύρος-Άνδρος 32 km (1x3πολικό/140 MVA) Σύρος-Μύκονος 36 km(2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/ 140 MVA) Σύρος-Πάρος 50 km (2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/280 MVA) Πάρος-Νάξος 16 km (2x3πολικά ή 4{3+1}x1πολικό/140 MVA) Νάξος-Μύκονος 40 km (1x3πολικό/280 MVA) Γ φάση (περίοδος ): Κατασκευάζεται δεύτερος σύνδεσμος Σ.Ρ. μεταξύ Λαυρίου-Σύρου και εγκαθίσταται και άλλο ένα ζεύγος μετατροπέων Ε.Ρ/Σ.Ρ. Στη συνέχεια προβλέπεται σταδιακή κατάργηση των Α.Σ.Π Υλοποίηση Σύνδεσης με Εναλλασσόμενο Ρεύμα Στην περίπτωση που η διασύνδεση γίνει με Ε.Ρ., τότε ενώ στην πρώτη φάση του έργου (περίοδος ) τα έργα παραμένουν ίδια, στην δεύτερη φάση του έργου (περίοδος ) μεταξύ Λαυρίου και Σύρου θα ποντιστεί καλώδιο 150 kv με πλαστική μόνωση. Εξαιτίας του περιορισμού στο μήκος του καλωδίου για Ε.Ρ. (70 km) προτείνεται να πραγματοποιηθεί η διασύνδεση με ενδιάμεσες στάσεις στις νήσους Κέα ή/και Κύθνο για την ελαχιστοποίηση του αριθμού των μη εργοστασιακών συνδέσμων στα υποβρύχια τμήματα των καλωδίων και την κατανομή των απαραίτητων συσκευών αντιστάθμισης κατά μήκος του καλωδίου. Επιπλέον, σε αυτή τη φάση του έργου οι Α.Σ.Π. τίθενται σε ψυχρή εφεδρεία. Στη σύνδεση με Ε.Ρ. το έργο ολοκληρώνεται στην δεύτερη φάση. Στην παρούσα διπλωματική γίνεται μελέτη πραγματοποίησης της διασύνδεσης με Συνεχές Ρεύμα. 19

20 2.2.3 Χρονοπρογραμματισμός έργων Κατά τη μελέτη αυτή εξετάστηκε κατά πόσο ήταν σκόπιμη η καθυστέρηση της διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Λαύριο. Η καθυστέρηση αυτή θα βοηθούσε στην ωρίμανση της νέας προτεινόμενης τεχνολογίας, στην άρση ενδεχόμενων επιφυλάξεων που υπάρχουν σχετικά με την εξασφάλιση του αναγκαίου χρόνου για την προκήρυξη και κατασκευή ενός έργου τόσο μεγάλης κλίμακας αλλά και στην εξέταση της οικονομικής αποδοτικότητας του έργου. Για τους παραπάνω λόγους εξετάστηκαν οι ακόλουθοι δύο τρόποι προγραμματισμού. Προγραμματισμός Α Σε περίπτωση υλοποίησης με Συνεχές ρεύμα Α φάση (περίοδος ) Ενίσχυση των υφιστάμενων Α.Σ.Π. με τις αδειοδοτημένες μονάδες (+25 MW) Β φάση (περίοδος ) Ένταξη του πρώτου συνδέσμου Σ.Ρ. Ένταξη των λοιπών έργων διασύνδεσης Θέση των Α.Σ.Π. σε ψυχρή εφεδρεία (λειτουργία σε συνθήκες Ν-1) Γ φάση (περίοδος ) Ένταξη του δεύτερου συνδέσμου Σ.Ρ. Σταδιακή κατάργηση των Α.Σ.Π. Σε περίπτωση υλοποίησης με Εναλλασσόμενο ρεύμα Α φάση ( ) Ενίσχυση των υφιστάμενων Α.Σ.Π με τις αδειοδοτημένες μονάδες (+25 MW) Β φάση Πραγματοποίηση της διασύνδεσης Ε.Ρ. το έτος 2010 Σταδιακή κατάργηση των Α.Σ.Π. Προγραμματισμός Β Σε περίπτωση υλοποίησης με Συνεχές ρεύμα Α φάση (περίοδος ) 20

21 Ενίσχυση των υφιστάμενων Α.Σ.Π. στη μέγιστη δυνατότητά τους (25+35=60 MW) Β φάση (περίοδος ) Καθυστέρηση της ένταξης του πρώτου συνδέσμου Σ.Ρ. για χρονικό διάστημα που θα εξαρτηθεί τόσο από την εξέλιξη των φορτίων όσο και από τις δυνατότητες των Α.Σ.Π. Κανονική ένταξη των λοιπών έργων διασύνδεσης. Λειτουργία των Α.Σ.Π. σε κανονικές συνθήκες (Ν) μέχρι την ένταξη του συνδέσμου Σ.Ρ και στη συνέχεια θέση των Α.Σ.Π. σε ψυχρή εφεδρεία (συνθήκες Ν-1) Γ φάση (περίοδος ) Καθυστέρηση ένταξης του δεύτερου συνδέσμου Σ.Ρ. για χρονικό διάστημα που θα εξαρτηθεί τόσο από την εξέλιξη των φορτίων όσο και από τις δυνατότητες των Α.Σ.Π Σταδιακή κατάργηση των Α.Σ.Π. Σε περίπτωση υλοποίησης με Εναλλασσόμενο ρεύμα Α φάση ( ) Ενίσχυση των υφιστάμενων Α.Σ.Π. στη μέγιστη δυνατότητα τους (25+35=60 MW) Β φάση ( ) Πραγματοποίηση της διασύνδεσης Ε.Ρ το έτος 2015 Σταδιακή κατάργηση των Α.Σ.Π. Η επιλογή του τρόπου προγραμματισμού θα εξαρτηθεί από τη δυνατότητα επέκτασης των σταθμών παραγωγής, από την εξέλιξη των φορτίων καθώς και από την οικονομικότητα του κάθε σεναρίου προγραμματισμού. 2.3 Παρούσα κατάσταση ηλεκτροδότησης και ζήτησης ενέργειας στις Κυκλάδες Στη συνέχεια θα αναφέρουμε την σημερινή κατάσταση που επικρατεί στα νησιά των Κυκλάδων όσον αφορά την εγκατεστημένη ισχύ και τις προβλεπόμενες μελλοντικές επεκτάσεις των ΑΣΠ στα νησιά, την εγκατεστημένη ισχύ των αιολικών πάρκων και τις μελλοντικές επεκτάσεις στα νησιά καθώς και την πρόβλεψη των φορτίων στις Κυκλάδες μέχρι το

22 2.3.1 Αυτόνομοι Σταθμοί Παραγωγής Η σημερινή κατάσταση στα νησιά σε ότι αφορά την εγκατεστημένη ισχύ και τις προβλεπόμενες μελλοντικές επεκτάσεις των ΑΣΠ στα νησιά είναι η ακόλουθη: Σύρος Η μέγιστη εγκατεστημένη ισχύς των υφιστάμενων μονάδων ανέρχεται στα 35.5 MW. Η αποδιδόμενη ισχύς των υφιστάμενων μονάδων ανέρχεται στα 25 MW περίπου. Έχει αδειοδοτηθεί επίσης Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος ισχύος 8 MW. Πάρος Η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς των υφιστάμενων μονάδων παραγωγής εντός του σταθμού ανέρχεται στα 39 MW περίπου. Επιπλέον, βρίσκεται υπό εγκατάσταση μονάδα παραγωγής 11.2 MW. Τέλος, στην ύπαιθρο βρίσκονται εγκατεστημένα φορητά Ηλεκτροπαραγωγά Ζεύγη ισχύος 15 MW. Η συνολικά αποδιδόμενη ισχύς του νησιού υπολογίζεται περί τα 53.4 MW. Πρέπει να τονιστεί ότι με το υπάρχον νομοθετικό πλαίσιο δεν είναι δυνατή η επέκταση το σταθμού. Σε περίπτωση αλλαγής του νομοθετικού πλαισίου προβλέπεται εγκατάσταση Η/Ζ ισχύος 15 MW περίπου. Μύκονος Η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς των υφιστάμενων μονάδων παραγωγής εντός του σταθμού ανέρχεται στα 15 MW περίπου. Στην ύπαιθρο βρίσκονται εγκατεστημένα 2 φορητά Ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη συνολικής αποδιδόμενης ισχύος 4 MW περίπου, καθώς και ένας αεριοστρόβιλος αποδιδόμενης ισχύος 11 MW, του οποίου όμως η λειτουργία είναι προβληματική. Για τη Μύκονο έχει ήδη αδειοδοτηθεί η εγκατάσταση Η/Ζ ισχύος 6 MW. Επίσης, μετά την πρόσφατη αγορά οικοπέδου υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης με φορητά Η/Ζ Dieel ή με αεριοστρόβιλο ισχύος MW. Η συνολικά αποδιδόμενη ισχύς υπολογίζεται στα 31.1 MW. Άνδρος Η εγκατεστημένη ισχύς στην Άνδρο υπολογίζεται στα 23.4 MW. Η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς των υφιστάμενων μονάδων εντός του σταθμού ανέρχεται στα 15.3 MW περίπου, ενώ δεν προβλέπεται επέκταση του σταθμού καθώς η Άνδρος τροφοδοτείται από την Εύβοια. 22

23 Ακολουθούν σχηματικά οι υφιστάμενες και οι μελλοντικές δυνατότητες παραγωγής των Α.Σ.Π. των νησιών Άνδρου, Σύρου, Μυκόνου και Πάρου. Σχήμα 2.2: Παραγωγή Α.Σ.Π. Κυκλάδων Υπάρχοντα Αιολικά Πάρκα Η εγκατεστημένη ισχύς Αιολικών στις Κυκλάδες στις μέρες μας είναι πολύ χαμηλή. Το γεγονός αυτό δικαιολογείται εν μέρει από τον περιορισμό των τεχνικών ελαχίστων στα νησιά, που καθιστά ασύμφορες πολλές πιθανές επενδύσεις στο χώρο των Κυκλάδων. Ο περιορισμός αυτός βέβαια θα αρθεί με την πραγματοποίηση της διασύνδεσης, οπότε είναι δυνατό να εγκατασταθεί σημαντική ισχύς στα νησιά αυτά. Η εγκατεστημένη ισχύς Αιολικών στα νησιά που θα συμμετάσχουν στη διασύνδεση φαίνεται στον παρακάτω πίνακα [6]: 23

24 Εγκατεστημένα Α/Π Κυκλάδων Νησί Ισxύς Α/Π (MW) Αριθμός Α/Γ MW/Περιοχή Άνδρος Τήνος Σύρος Μύκονος Πάρος Νάξος Πίνακας 2.1 Τα αιολικά πάρκα που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς για την μελέτη της διασύνδεσης έχουν υπολογιστεί σε άλλες διπλωματικές [2,4], που πραγματεύονται το ζήτημα της διασύνδεσης από την σκοπιά της οικονομικής αποδοτικότητας των πάρκων αλλά και τους περιορισμούς όσον αφορά την εγκατάσταση των αιολικών πάρκων. Τελικά η συνολική ισχύς των αιολικών πάρκων που θα εγκατασταθούν προκύπτει ίση με MW λόγω των θερμικών ορίων των καλωδίων. Η επιλογή της ισχύος των αιολικών πάρκων που θα εγκατασταθούν σε κάθε νησί φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Α/Π Κυκλάδων Νησί Εγκατεστημένη Ισχύς (MW) Αριθμός Α/Π Άνδρος 174,8 32 Νάξος 128,4 20 Πάρος 66,4 12 Τήνος 15,2 3 Σύρος 4,4 1 Μύκονος 18 5 Πίνακας 2.2: Επιλεγμένα Αιολικά Πάρκα μετά από περιορισμούς τοπολογίας Αυτά τα πάρκα δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστούν και να λειτουργήσουν ταυτόχρονα στα νησιά, αλλά θα αναπτυχθούν σταδιακά μέχρι να φτάσουν το ανώτατο όριο των MW. Για το λόγο αυτό τα αιολικά πάρκα εντάσσονται κατά ομάδες, από το 2010 μέχρι και το 2020 οπότε και θεωρούμε ότι θα έχουν κατασκευαστεί και θα λειτουργούν όλα τα Α/Π κανονικά. 24

25 Στη συνέχεια ακολουθεί πίνακας που δείχνει τη σειρά ένταξης των Α/Π με την εξέλιξη των ετών. Α/Π Κυκλάδων Τελική Νησί Εγκατεστημένη Ισχύς (MW) εγκατεστημένη ισχύς Νέα Α/Π (MW) Άνδρος 1,575 43,2 44,775 Τήνος 0,4 8,8 9, Σύρος 3,505 4,4 7,905 Μύκονος 0,3 8 8,3 Πάρος 0,11 14,4 14,51 Νάξος 1,275 42,4 43,675 Άνδρος 44,775 65,6 110,375 Τήνος 9,2 6,4 15, Σύρος 7, ,905 Μύκονος 8, ,3 Πάρος 14, ,51 Νάξος 43, ,675 Άνδρος 110, ,375 Τήνος 15,6 0 15, Σύρος 7, ,905 Μύκονος 18,3 0 18,3 Πάρος 42, ,51 Νάξος 91, ,675 Πίνακας 2.3: Σειρά ένταξης των Α/Π με την εξέλιξη των ετών Πρόβλεψη φορτίων Τα νησιά των Κυκλάδων παρουσίασαν τα τελευταία χρόνια ρυθμό αύξησης της ζήτησης σημαντικά μεγαλύτερο από το μέσο ελλαδικό αλλά και τον νησιωτικό χώρο, ο οποίος συνδέεται άμεσα με τον ρυθμό της τουριστικής ανάπτυξης [6]. Η υλοποίηση της διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα είναι άμεσα συνδεδεμένη με την εξέλιξη της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας στις νήσους και την ικανότητα των υπαρχόντων Α.Σ.Π. για κάλυψη των απαιτούμενων φορτίων. Παρακάτω ακολουθούν στοιχεία για τη μεθοδολογία και την πρόβλεψη των φορτίων όπως προέκυψαν από την μελέτη για τη διασύνδεση των Κυκλάδων [5]. Η πρόβλεψη της ζήτησης βασίστηκε σε απολογιστικά στοιχεία των 5-6 τελευταίων ετών, ώστε να αντανακλά τις πλέον πρόσφατες τάσεις της ζήτησης. Αρχικά, 25

26 εκτιμήθηκε η συνολική ετήσια ζήτηση ενέργειας κάθε νησιού που παρουσιάζει κατά κανόνα ομαλότερη μεταβολή σε σχέση με τη μέγιστη ετήσια ζήτηση ισχύος. Στη συνέχεια η πρόβλεψη της ετήσιας αιχμής προέκυψε με εκτίμηση του ετήσιου συντελεστή φορτίου, που βασίστηκε στο μέσο όρο της τελευταίας 5ετίας. Ο συντελεστής φορτίου θεωρήθηκε είτε σταθερός είτε με μικρή διαχρονική τάση ανόδου. Στη συνέχεια θεωρήθηκε διαχρονική μείωση των ποσοστών αύξησης, με σταθεροποίηση των ρυθμών σε χαμηλά επίπεδα ετήσιων αυξήσεων για τα τελευταία έτη ( ), ανάλογα με τις εκτιμώμενες δυνατότητες περαιτέρω ανάπτυξης ή τις τάσεις κορεσμού που αναμένεται να εμφανισθούν στα πλέον τουριστικώς αναπτυγμένα νησιά. Ως πρόσθετο κριτήριο θεωρείται και η έκταση του εκάστοτε νησιού ώστε η αναμενόμενη μελλοντική πυκνότητα φορτίου να φράσσεται σε επίπεδα ανάλογα με την πυκνότητα δόμησης των νησιών. Η πρόβλεψη του ελαχίστου βασίστηκε στα διαθέσιμα στοιχεία ζήτησης ανά Α.Σ.Π, με την παραδοχή ότι η αύξηση του ελαχίστου συμβαδίζει με εκείνη της ετήσιας ζήτησης ενέργειας ανά νησί. Τα αποτελέσματα της πρόβλεψης μέγιστης και ελάχιστης ζήτησης ισχύος για τα νησιά Άνδρο, Τήνο, Σύρο, Μύκονο, Πάρο και Νάξο φαίνονται στους παρακάτω πίνακες και διαγράμματα. [3, 7] Για την Άνδρο, την Τήνο και την Σύρο Μέγιστη-Ελάχιστη Ζήτηση Ισχύος ανά έτος (MW) Άνδρος Τήνος Σύρος Έτος φορτία max min max min max min 2020 P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ Πίνακας 2.4: Μέγιστη και ελάχιστη ζήτηση ισχύος για Άνδρο, Τήνο, Σύρο 26

27 Για τη Μύκονο, την Πάρο και τη Νάξο Μέγιστη-Ελάχιστη Ζήτηση Ισχύος ανά έτος (MW) Μύκονος Πάρος Νάξος Έτος Φορτία max min max min max min 2020 P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) Coφ P (MW) Q (MVar) S (MVA) coφ Πίνακας 2.5: Μέγιστη και ελάχιστη ζήτηση ισχύος για Μύκονο, Πάρο, Νάξο Καλώδια που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς Στη συνέχεια ακολουθούν τα χαρακτηριστικά των υφιστάμενων και νέων εναέριων και υποβρυχίων καλωδίων που λήφθηκαν υπόψη κατά τους υπολογισμούς [8]: Υφιστάμενο υποβρύχιο καλώδιο 150 kv (Εύβοια-Άνδρος, Άνδρος-Τήνος) R=0,227 Ω/km X=0,1 Ω/km C=350 nf/km S max =140 MVA (3x1)x1x300mm 2 Cu-Oil μήκη καλωδίων: Εύβοια-Άνδρος: 15 km Άνδρος-Τήνος: 3,2 km Νέο υποβρύχιο καλώδιο 150 kv (Άνδρος-Σύρος, Σύρος-Πάρος, Σύρος-Μύκονος, Πάρος-Νάξος, Νάξος-Μύκονος) R=0,1 Ω/km X=0,1 Ω/km C=126 nf/km 27

28 S max =140 MVA (3x1)x1x300 mm 2 XLPE μήκη καλωδίων: Σύρος-Άνδρος: 32 km Σύρος-Μύκονος: 36 km Σύρος-Πάρος: 50 km Πάρος-Νάξος: 16 km Νάξος-Μύκονος: 40 km Νέο υποβρύχιο καλώδιο (Λαύριο-Σύρος) διπολικό καλώδιο 2x200 MW/Σ.Ρ. μήκος καλωδίου: 2x100 km Υποβρύχιο καλώδιο 66 kv (Τήνος-Σύρος, Τήνος-Μύκονος) R=0,095 Ω/km X=0,120 Ω/km C=450 nf/km S max =60 MVA (3x1)x1x300mm 2 XLPE μήκη καλωδίων: Τήνος-Σύρος: 20 km Τήνος-Μύκονος: 13 km Μετασχηματιστές Στον παρακάτω πίνακα ακολουθούν οι μετασχηματιστές που συνδέουν τα αιολικά στη Μέση Τάση. Α/Π Κυκλάδων Νησί Εγκατεστημένα Α/Π (MW) Μετασχηματιστές 2020 Άνδρος 176, Τήνος 15,6 17,5 Σύρος 7, Μύκονος 18,3 20 Πάρος 66,51 70 Νάξος 129, ,5 Πίνακας 2.6: Ισχύς μετασχηματιστώνα/π 28

29 Όσον αφορά τους μετασχηματιστές Υ.Τ/Μ.Τ (150/20 kv) στους ζυγούς των νησιών ακολουθεί ο παρακάτω πίνακας. Αναφορές Μετασχηματιστές Νησί (150/20 kv) (MW) Σύρος (Σύρος-Σύρος2) Τήνος (Τήνος-Τήνος2) Μύκονος (Μύκονος- Μύκονος2) Πίνακας: 2.7: Ισχύς μετασχηματιστών Υ.Τ/Μ.Τ [1] ΔΕΣΜΗΕ, Μελέτη Ανάπτυξης Συστήματος Μεταφοράς , Αθήνα Ιανουάριος 2006 [2] Βροντίση Ζωή, «Διπλωματική Εργασία με θέμα: Τεχνοοικονομική Ανάλυση της ανάπτυξης αιολικής ενέργειας στις διασυνδεδεμένες Κυκλάδες», Οκτώβριος 2006 [3] Τελική Έκθεση- Ομάδα Εργασίας για την Διασύνδεση των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα, Αθήνα, Μάιος 2005 [4] Τσαπέ Ειρήνη, «Διπλωματική Εργασία με θέμα: Μελέτη Διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα», Ιούλιος 2007 [5] «Προκαταρκτική Μελέτη Διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Μέρος Τεχνική Ανάλυση, Αθήνα, Μάρτιος 2004 [6] «Προκαταρκτική Μελέτη Διασύνδεσης των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Μέρος Τεχνική Ανάλυση, Αθήνα, Μάρτιος 2004 [7] Παραρτήματα- Ομάδα Εργασίας για την διασύνδεση των Κυκλάδων με το Ηπειρωτικό Σύστημα, Αθήνα, Μάιος 2005 [8] Οδηγός Προγραμματισμού των Δικτύων Διανομής, Τυποποίηση και τεχνικά χαρακτηριστικά εγκαταστάσεων, Υποβρύχια καλώδια, Δ.Ε.Η. 29

30 30

31 Κεφάλαιο 3-Σύστημα Μεταφοράς με Συνεχές Ρεύμα Υψηλής Τάσης 3.1. Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με ρεύμα υψηλής τάσης, καθώς με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η μαζική ενεργειακή μεταφορά (bulk-energy tranfer). Υπάρχουν δύο συστήματα μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας, το σύστημα υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος (High Voltage Alternating Current, HVAC), και το σύστημα μεταφοράς υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος (High Voltage Direct Current, HVDC). Αν και το σύστημα μεταφοράς που χρησιμοποιείται ευρέως είναι το HVAC, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες χρησιμοποιείται το σύστημα HVDC καθώς παρουσιάζει ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι του HVAC. Οι περιπτώσεις στις οποίες χρησιμοποιήθηκε σύνδεση με HVDC είναι οι ακόλουθες: i) Σύνδεση δύο συστημάτων με υποβρύχια καλώδια μεγάλης απόστασης. Σε αυτή την περίπτωση η μετάδοση AC ρεύματος δεν είναι πρακτική εξαιτίας της χωρητικής συμπεριφοράς των καλωδίων που απαιτεί σταθμούς αντιστάθμισης ισχύος κάθε 30 km. ii) Ασύγχρονη σύνδεση μεταξύ δύο συστημάτων εναλλασσόμενου ρεύματος που είτε έχουν διαφορετική συχνότητα είτε η σύνδεση δεν θα ήταν βιώσιμη λόγω προβλημάτων ευστάθειας του συστήματος iii) Μετάδοση υψηλής ποσότητας ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις με εναέριες γραμμές. Τα συστήματα μεταφοράς HVDC σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 600 km είναι ανταγωνιστική εναλλακτική λύση σε σύγκριση με τα συστήματα HVAC. Στις περιπτώσεις που αναφέρονται παραπάνω η σύνδεση πραγματοποιήθηκε με HVDC λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει αυτός ο τρόπος μετάδοσης του ρεύματος έναντι του HVAC. Έτσι τα κύρια πλεονεκτήματα της μετάδοσης της ηλεκτρικής ενέργειας με HVDC είναι: η μεταφορά HVDC δεν χρειάζεται αντιστάθμιση ισχύος. Άρα δεν απαιτείται η κατασκευή σταθμών αντιστάθμισης ισχύος, όπως συμβαίνει για συνδέσεις AC όταν το μήκος των καλωδίων ξεπερνά τα 30 km. 31

32 με κατάλληλο έλεγχο ένα σύστημα ζεύξης DC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ευστάθειας ενός συστήματος AC η δυνατότητα ηλεκτρονικού ελέγχου των HVDC συστημάτων. Δίνεται η δυνατότητα γρήγορου ελέγχου τόσο του μεγέθους όσο και της φοράς της μεταδιδόμενης ισχύος. Στα ακόλουθα σχήματα παρουσιάζονται το τυπικό σύστημα διανομής για AC και DC γραμμές μεταφοράς μεγάλου μήκους. Στην περίπτωση που έχουμε AC γραμμή μεταφοράς παρατηρούμε ότι πρέπει να τοποθετήσουμε κατάλληλους αντισταθμιστές ισχύος ώστε να διατηρήσουμε την τάση στους ζυγούς σταθερή και μέσα στα ανεκτά όρια ( ±5% της ονομαστικής της τιμής). Αντίστοιχα, στην DC γραμμή μεταφοράς, δεν χρειάζονται αντισταθμιστές ισχύος, γεγονός που καθιστά αυτό το σύστημα μεταφοράς το πλέον εφικτό για μεγάλες αποστάσεις αλλά και περισσότερο οικονομικό. Σχήμα 3.1: Τυπικό DC σύστημα διανομής (a): AC σύστημα (b): σταθμοί μετατροπής (c): DC γραμμή (F): φίλτρα 32

33 Σχήμα 3.2: Τυπικό AC σύστημα διανομής μεγάλης απόστασης (a): AC σύστημα (b): AC γραμμή μεταφοράς (c): υποσταθμός 3.2. Συστήματα μεταφοράς HVDC Για να γίνει η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας με HVDC, χρειάζονται δύο μετατροπείς ισχύος, μία ανορθωτική διάταξη στο σταθμό παραγωγής όπου η εναλλασσόμενη τάση των γεννητριών μετατρέπεται σε συνεχή και ένα αντιστροφέα στο φορτίο όπου η DC τάση μεταφοράς μετατρέπεται σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται ένα σύστημα μεταφοράς HVDC όπου μπορούμε να δούμε τους δύο προαναφερθέντες μετατροπείς ισχύος. Σχήμα 3.3: Σύστημα μεταφοράς HVDC 33

34 Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειώσουμε ότι ο ανορθωτής βρίσκεται πλησίον του σταθμού παραγωγής, ενώ ο αντιστροφέας βρίσκεται πλησίον του φορτίου. Στην ανάλυση των κυκλωμάτων των μετατροπέων που θα γίνει στην συνέχεια του κεφαλαίου θα φανεί ότι στον ανορθωτή έχουμε μεταφορά ισχύος από το AC στο DC σύστημα, ενώ στον αντιστροφέα έχουμε μεταφορά ισχύος από το DC στο AC σύστημα. Η τεχνολογία μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας με Υψηλής Τάσης Συνεχές Ρεύμα εφαρμόστηκε για πρώτη φορά το 1954 για την σύνδεση του Ηπειρωτικού συστήματος της Σουηδίας με το νησί Gotland [1]. Η ισχύς της σύνδεσης ήταν 20 MW και το υποβρύχιο καλώδιο είχε μήκος 90 km. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την σύνδεση ήταν οι ανορθωτές λυχνίας. Στη συνέχεια ακολούθησαν και άλλα έργα που χρησιμοποιήθηκε η ίδια τεχνολογία, όπως η υποβρύχια σύνδεση Αγγλίας- Γαλλίας (1961), η σύνδεση Σαρδηνίας-Ιταλίας (1967) κ.ά. Το 1972 χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μία νέα τεχνολογία για την μεταφορά HVDC. Το έργο αυτό έγινε στον Καναδά (Eel River) και η μετατροπή AC-DC γίνεται μέσω θυρίστορ. Στη συνέχεια ακολούθησαν πολλά έργα στα οποία χρησιμοποιήθηκε αυτή η τεχνολογία. Από το 1997 όμως και μετά, αντί των θυρίστορ χρησιμοποιούνται νέα διακοπτικά στοιχεία, τα IGBT, και η τεχνολογία που τα χρησιμοποιεί ονομάζεται HVDC Light Στοιχεία Συστήματος Μεταφοράς HVDC Τα βασικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα μεταφοράς HVDC φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα: 34

35 Σχήμα 3.4: Βασικά στοιχεία ενός HVDC συστήματος [2] Τα στοιχεία που αποτελούν ένα HVDC σύστημα είναι: μετατροπείς (ανορθωτής ή αντιστροφέας και μετασχηματιστής) DC γραμμές AC φίλτρα DC φίλτρα DC πηνία εξομάλυνσης σύστημα ελέγχου πηγή άεργου ισχύος Μετατροπείς: Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, για να έχουμε μεταφορά HVDC, χρειάζονται ειδικές διατάξεις οι οποίες θα μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση (AC) των γεννητριών σε συνεχή (DC) και αντίστροφα την συνεχή σε εναλλασσόμενη ώστε να μπορούν να τροφοδοτούνται τα φορτία. Οι μετατροπείς που μετατρέπουν την τάση από AC σε DC ονομάζονται ανορθωτές, ενώ οι μετατροπείς που μετατρέπουν την τάση από DC σε AC, ονομάζονται αντιστροφείς. Ανάμεσα στον μετατροπέα και την AC πλευρά του κυκλώματος είναι συνδεδεμένοι μετασχηματιστές με μεταβλητό λόγο μετασχηματισμού (tap changer). Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για δύο λόγους, για την προσαρμογή της τάσης μεταξύ της εναλλασσόμενης τάσης παραγωγής και της HVDC τάσης μεταφοράς αλλά και για την ύπαρξη γαλβανικής ή 35

36 ωμικής απομόνωσης μεταξύ της τροφοδοσίας από το σταθμό παραγωγής και της εξόδου της ανορθωτικής διάταξης. [3] Πηνία εξομάλυνσης: Τα πηνία που βρίσκονται στην DC γραμμή (moothing reactor, η τιμή τους είναι κοντά στο 1,0 H) είναι συνδεδεμένα σε σειρά με τους μετατροπείς AC/DC/AC. Χρησιμοποιούνται για περαιτέρω μείωση των DC αρμονικών αλλά και για τον περιορισμό των βραχυκυκλωμάτων σε περίπτωση που συμβεί ένα σφάλμα στην DC γραμμή. Επιπλέον με τα πηνία αυτά αποφεύγεται η ασυνέχεια στην περίπτωση χαμηλού φορτίου ενώ επιτυγχάνεται και η αποφυγή του σφάλματος μετάβασης στον αντιστροφέα. [1] AC και DC φίλτρα: Οι μετατροπείς δημιουργούν αρμονικές στην τάση και στο ρεύμα τόσο στην AC όσο και στην DC πλευρά. Αυτές οι αρμονικές μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση στους πυκνωτές γειτονικών γεννητριών αλλά και να επηρεάσουν τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Για να αποφευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται φίλτρα για την εξάλειψη των αρμονικών τόσο στην AC όσο και στην DC πλευρά. Προσφορά άεργου ισχύος: Οι μετατροπείς AC/DC/AC απορροφούν άεργο ισχύ. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, η άεργος ισχύς που καταναλώνεται είναι περίπου το 50% της ενεργού ισχύος που μεταφέρεται μέσω της DC σύνδεσης. Στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας, η κατανάλωση άεργου ισχύος μπορεί να είναι και μεγαλύτερη από το προηγούμενο ποσοστό. Για αυτό τον λόγο, πρέπει κοντά στους μετατροπείς να υπάρχουν πηγές άεργου ισχύος. Στην περίπτωση που η DC σύνδεση γίνεται μεταξύ δύο ισχυρών AC συστημάτων, η προσφορά ισχύος γίνεται συνήθως μέσω εγκάρσιων πυκνωτών (hunt capacitor). Ανάλογα με την ζήτηση ισχύος μέρος της προσφερόμενης άεργου ισχύος στους μετατροπείς μπορεί να γίνει μέσω σύγχρονων πυκνωτών ή πυκνωτών αντιστάθμισης. Ένα μέρος της ζητούμενης άεργου ισχύος μπορεί να καλύπτεται και από τους πυκνωτές των AC φίλτρων που χρησιμοποιούνται. Ηλεκτρόδια: Πολλές DC συνδέσεις σχεδιάζονται ώστε να χρησιμοποιούν τη γη ως ουδέτερο αγωγό. Η σύνδεση με τη γη απαιτεί έναν αγωγό μεγάλης επιφάνειας ο οποίος αναφέρεται ως ηλεκτρόδιο. 36

37 3.4. Μετατροπείς Γενικά-Λειτουργία θυρίστορ Το κλασσικό σύστημα μεταφοράς με HVDC περιλαμβάνει την μετατροπή AC/DC/AC η οποία γίνεται μέσω των θυρίστορ. Το θυρίστορ είναι ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος, το οποίο από πλευράς δομής είναι ένας ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου τεσσάρων στρωμάτων (p-n-p-n) που μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας συνδυασμός δύο τρανζίστορ. Η εσωτερική δομή του τρανζίστορ φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 3.5: Εσωτερική δομή θυρίστορ Το θυρίστορ είναι ελεγχόμενος διακόπτης, αφού αν δεν υπάρχει παλμός έναυσης στην πύλη (G) του θυρίστορ, ανεξάρτητα αν είναι θετικά πολωμένο, δεν υπάρχει ροή ρεύματος μέσω του θυρίστορ. Για να βρεθεί το θυρίστορ σε κατάσταση αγωγής θα πρέπει να δοθεί στην πύλη του παλμός έναυσης, με την προϋπόθεση το θυρίστορ να είναι θετικά πολωμένο. Το θυρίστορ όταν βρεθεί στην κατάσταση αγωγής, μετά την εφαρμογή του παλμού έναυσης, θα εξακολουθεί να παραμένει στην κατάσταση αυτή ακόμα και αν ο παλμός έναυσης αφαιρεθεί. Για να διακοπεί η κατάσταση αγωγής θα πρέπει είτε το ρεύμα που ρέει μέσω του θυρίστορ να μηδενισθεί είτε η πολικότητα της ανόδου να γίνει αρνητική σε σχέση με την κάθοδο. Παρατηρούμε ότι διακρίνεται σε τρεις περιοχές οι οποίες χαρακτηρίζουν και την κατάσταση στην οποία μπορεί να βρεθεί το θυρίστορ: α) Κατάσταση αγωγής: το θυρίστορ άγει και υπάρχει ροή ρεύματος από την άνοδο στην κάθοδο β) Κατάσταση θετικής αποκοπής: το θυρίστορ είναι θετικά πολωμένο, δηλαδή η τάση στην άνοδο είναι μεγαλύτερη από την τάση στην κάθοδο, αλλά βρίσκεται σε 37

38 κατάσταση αποκοπής. Όταν δοθεί παλμός έναυσης στο θυρίστορ τότε μεταβαίνει στην κατάσταση αγωγής γ) Κατάσταση αρνητικής αποκοπής: το θυρίστορ μεταβαίνει στην κατάσταση αυτή όταν μεταξύ ανόδου και διόδου εφαρμοστεί αρνητική τάση. Όταν το θυρίστορ μεταβεί σε αυτή την κατάσταση έχουμε επιτύχει την σβέση του. Όπως φαίνεται από την γραφική παράσταση υπάρχει μία οριακή τιμή της τάσης του θυρίστορ πέρα από την οποία το θυρίστορ μεταβαίνει σε κατάσταση αγωγής χωρίς να χρειάζεται παλμός έναυσης. Η οριακή αυτή τιμή ονομάζεται κρίσιμη τάση αποκοπής. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω όταν η τάση στην άνοδο του θυρίστορ είναι μεγαλύτερη από την τάση στην κάθοδο, τότε το θυρίστορ είναι σε κατάσταση θετικής αποκοπής και αν στο θυρίστορ δοθεί παλμός έναυσης, τότε θα περάσει στην κατάσταση αγωγής. Όμως υπάρχει ένας χρόνος καθυστέρησης (t d, της τάξης των μec) προτού το ρεύμα της ανόδου αρχίσει να αυξάνει. Επιπλέον, απαιτείται και ένα χρονικό διάστημα μέχρι το ρεύμα της ανόδου να αυξηθεί από το 10% στο 90% της ονομαστικής του τιμής. Ο χρόνος αυτό ονομάζεται χρόνος ανύψωσης (t r ), ενώ το άθροισμα του χρόνου καθυστέρησης και του χρόνου έναυσης (t d +t r ) ονομάζεται χρόνος έναυσης του θυρίστορ. Η σβέση του θυρίστορ αρχίζει από την στιγμή που εφαρμόζεται αρνητική τάση στα άκρα του. Κατά την σβέση του θυρίστορ παρατηρείται όπως και κατά την έναυση, μία καθυστέρηση για την μετάβαση από την μία κατάσταση στην άλλη. Η καθυστέρηση αυτή ονομάζεται χρόνος αποκατάστασης (t n ) Ανορθωτές Η μετατροπή AC/DC γίνεται με τριφασικές ελεγχόμενες ανορθωτικές διατάξεις οι οποίες μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση των γεννητριών σε συνεχή. Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζεται η τριφασική ανορθωτική διάταξη, η οποία χρησιμοποιεί έξι θυρίστορ και ένα μετασχηματιστή στην είσοδο της ο οποίος δεν παρουσιάζεται στο σχήμα. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της ανορθωτικής διάταξης είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιεί μετασχηματιστή εισόδου χωρίς να υπάρχει το πρόβλημα του μαγνητικού κορεσμού [4]. Επιπλέον η ανορθωτική διάταξη όχι μόνο μετατρέπει την AC σε DC τάση αλλά ελέγχει και την τάση εξόδου μέσω της γωνίας έναυσης (α) των θυρίστορ. 38

39 Σχήμα 3.6: Τριφασική ελεγχόμενη ανορθωτική διάταξη [2] Οι φασικές τάσεις δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: e = E t+ a b c 0 mco( ω 60 ) e = E t 0 mco( ω 60 ) e = E t 0 mco( ω 180 ) Αν V ac είναι rm τιμή της πολικής τάσης, τότε οι παραπάνω εξισώσεις μπορούν να γραφούν ως εξής: 2 ea = V t+ 3 0 acco( ω 60 ) 2 eb = V t 3 0 acco( ω 60 ) 2 ec = V t 3 0 acco( ω 180 ) Οι κάθοδοι των τριών άνω θυρίστορ (1, 3, 5) είναι συνδεδεμένες. Αυτό σημαίνει ότι όταν η φασική τάση οποιασδήποτε φάσης είναι μεγαλύτερη από την τάση της καθόδου, τότε το θυρίστορ θα άγει (εφόσον βέβαια του δοθεί παλμός έναυσης). Για αυτό τον λόγο τα τρία αυτά θυρίστορ ονομάζονται θετική ομάδα της ανόρθωσης. Αντίστοιχα, οι άνοδοι των τριών θυρίστορ της κάτω σειράς (4, 6, 2) είναι συνδεδεμένες. Έτσι όταν η φασική τάσης οποιασδήποτε φάσης είναι μικρότερη από την τάση της ανόδου, τότε το θυρίστορ θα άγει (με την προϋπόθεση και πάλι να δοθεί στο θυρίστορ παλμός έναυσης). Αυτή η ομάδα των θυρίστορ ονομάζεται αρνητική ομάδα της ανόρθωσης. (1) 39

40 Η γωνία έναυσης των θυρίστορ (α) χρησιμοποιείται για την έναυση των θυρίστορ αλλά και τον έλεγχο της DC τάσης. Άρα πλέον τα θυρίστορ αρχίζουν να άγουν τη χρονική στιγμή ωt = α αντί της ω t = 0 και αντίστοιχα την στιγμή π ωt = + α αντί 3 π της ω t =. Η γωνία έναυσης των θυρίστορ μετράται με αφετηρία τη διασταύρωση 3 δύο τάσεων. Τα παραπάνω φαίνονται και στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα 3.7: Γωνία αγωγής [2] Οι παλμοί έναυσης των θυρίστορ μιας ομάδας έχουν μεταξύ τους μία διαφορά φάσης 120 0, όπως συμβαίνει και με τις αντίστοιχες φασικές τους τάσεις. Επομένως κάθε θυρίστορ άγει για Τα θυρίστορ της αρνητικής ομάδας αρχίζουν να άγουν μετά από σε σχέση με τα αντίστοιχα τους θυρίστορ της θετικής ομάδας. Δηλαδή αν το θυρίστορ 1 (σχήμα 3.6) αρχίσει να άγει σε μία γωνία α, τότε το αντίστοιχο του θυρίστορ από την αρνητική ομάδα, το οποίο είναι το θυρίστορ 4, θα αρχίσει να άγει στην γωνία α. Για κάθε περίοδο της τάσης εισόδου η τάση εξόδου έχει 6 παλμούς. Για το λόγο αυτό η ανόρθωση αυτή ονομάζεται και ανόρθωση έξι παλμών. Όταν η γωνία έναυσης είναι μηδέν (α=0 0 ), τότε η ανόρθωση λειτουργεί σαν μη ελεγχόμενη τριφασική ανόρθωση γέφυρας, αφού τα θυρίστορ λειτουργούν σαν να ήταν δίοδοι. Η υψηλότερη τιμή της γωνίας έναυσης είναι Αν ξεπεραστεί αυτή η 40

41 τιμή της γωνίας έναυσης τότε το θυρίστορ δεν μπορεί να περάσει στην κατάσταση αγωγής λόγω της αντίστροφης πολικότητας της τάσης στην άνοδο και στην κάθοδο. Θεωρώντας ότι η γωνία αγωγής είναι μηδέν (α=0), θα εξετάσουμε την αγωγή των θυρίστορ. Από το σχήμα 3.7, όταν είμαστε λίγο πριν το ωt=0, είναι τα θυρίστορ 1 και 2 που άγουν. Αμέσως μετά την ωt=0, η e b γίνεται μεγαλύτερη από την e a, οπότε άγει το θυρίστορ 3, ενώ επέρχεται η σβέση του θυρίστορ 1 αφού η κάθοδος του έχει υψηλότερο δυναμικό από την άνοδο του. Μέχρι την στιγμή ωt=60 0 είναι τα θυρίστορ 2 και 3 που άγουν. Εκείνη όμως την στιγμή, η e a είναι περισσότερο αρνητική από την e c, με αποτέλεσμα την σβέση του 2 και έναυση του 4. Τη χρονική στιγμή ωt=120 0, η e c είναι μεγαλύτερη από την e b, επομένως έχουμε την σβέση του 3 και έναυση του 5. Αντίστοιχα, τη στιγμή ωt=180 0, έχουμε την σβέση του 4 και έναυση του 6, τη στιγμή ωt=240 0 έχουμε την σβέση του 5 και έναυση του 1 και τέλος την στιγμή ωt=300 0 έχουμε την σβέση του 6 και έναυση του 2. Εδώ ολοκληρώνεται μία περίοδος οπότε και επαναλαμβάνεται ο κύκλος. Τα παραπάνω συμβαίνουν όταν η γωνία αγωγής των θυρίστορ είναι μηδέν. Στην περίπτωση που η γωνία αγωγής είναι διαφορετική του μηδενός, τότε το θυρίστορ 3 αντί να αρχίσει να άγει την στιγμή ωt=0 θα αρχίσει να άγει την στιγμή ωt=α. Αντίστοιχα το θυρίστορ 4 θα αρχίσει να άγει όταν ωt=α+60 0, το θυρίστορ 5 όταν ωt=α κοκ. Η γωνία αγωγής περιορίζεται μέχρι το 180 0, καθώς αν υπερβεί την τιμή αυτή το θυρίστορ δεν θα περάσει στην κατάσταση αγωγής. Για παράδειγμα, θεωρώντας το θυρίστορ 3 του σχήματος 3.6 και την τάση e b, τότε αν α>180 0, η τάση της φάση a είναι μεγαλύτερη από την τάση της φάσης b. Επομένως σε αυτή την περίπτωση η αγωγή του θυρίστορ 3 είναι αδύνατη. Με βάση και τα παραπάνω, για γωνία αγωγής α, η μέση συνεχής τάση δίνεται από την σχέση: όπου 3 3 Vd = Emcoα = Vdocoα (2), π είναι η DC τάση κενού φορτίου. V do 3 2 = V π ac 41

42 Υποθέτουμε ότι οι απώλειες του ανορθωτή είναι αμελητέες, οπότε η ενεργός ισχύς της DC και AC πλευράς του ανορθωτή είναι ίσες: P = P 3V I coφ = V I (3), ac dc ac φ d d όπου V ac είναι η rm τιμή της πολικής τάσης V ac = 3 E 2 I φ είναι η rm τιμή του ρεύματος που ρέει σε κάθε φάση coφ ο συντελεστής ισχύος I d το ρεύμα στην DC πλευρά του ανορθωτή. m Το ρεύμα I d εξαρτάται από την βασική συνιστώσα του φασικού ρεύματος που παράγεται στην AC πλευρά και από την εξίσωση από την οποία τελικά προκύπτει Id I 2 3 = I π 2 φ d π = I φ (4) 6 Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφέρουμε το φαινόμενο της μετάβασης το οποίο πραγματοποιείται λόγω της ύπαρξης της επαγωγικής αντίδρασης (L C ) στην AC πλευρά του δικτύου. Λόγω της επαγωγικής αυτής αντίδρασης η μετάβαση του ρεύματος από την μία φάση στην άλλη απαιτεί κάποιο χρονικό διάστημα (το ρεύμα διαμέσου μίας επαγωγής δεν μπορεί να αλλάξει άμεσα). Αυτό σημαίνει ότι κατά την διάρκεια της μετάβασης θα άγουν ταυτόχρονα τρία θυρίστορ, τα δύο από αυτά σχηματίζοντας βραχυκύκλωμα. Από το σχήμα 3.6 αν αναλύσουμε το κύκλωμα κατά την διάρκεια της μετάβασης από το θυρίστορ 1 στο θυρίστορ 3, παρατηρούμε ότι η τάση πέφτει στο e a + e 2 b, αντί του e b, όπως άλλωστε φαίνεται και στο ακόλουθο σχήμα. Η μείωση της AC τάσης οδηγεί και στην μείωση της DC τάσης 42