ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ. Γ. N. Κορρές Αναπλ. Καθ. Ε.Μ.Π. 1

Transcript

1 ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Γ. N. Κορρές Αναπλ. Καθ. Ε.Μ.Π. 1

2 Προβλήµατα και ανάγκες µεταφοράς Οι βασικοί περιορισµοί των κλασσικών εναλλασσοµένων γραµµών µεταφοράς (απόσταση, ευστάθεια και ελεγξιµότητα ροής ισχύος), που είχαν ως αποτέλεσµα την υποχρησιµοποίησή τους, έκαναν επιτακτική την ανάγκη εισαγωγής των FACTS, για τον έλεγχο της µεταφοράς ισχύος σε πραγµατικό χρόνο µε ηλεκτρονικά ισχύος. Με το άνοιγµα της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η κύρια οικονοµική έµφαση δίνεται στη µείωση του κόστους παραγωγής µε ελεύθερο ανταγωνισµό. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση του αριθµού των ανεξάρτητων παραγωγών. Λόγω γεωγραφικής κατανοµής των σταθµών παραγωγής, όπου το καύσιµο είναι διαθέσιµο ή φθηνότερο ή λόγω περιβαλλοντικών περιορισµών, το σύστηµα µεταφοράς µπορεί να έχει υπερφορτίσεις ή προβλήµατα ευστάθειας και παράλληλων ή βροχοειδών ροών (parallel or loop flows). Η παραδοσιακή λύση στα παραπάνω προβλήµατα θα ήταν η ενίσχυση του δικτύου µεταφοράς µε νέες γραµµές, το οποίο δεν είναι πάντα εφικτό. Ετσι η µοναδική λύση είναι µέσω τεχνολογικών παρεµβάσεων στο υπάρχον δίκτυο, όπως τα FACTS, µέσω των οποίων επιτυγχάνεται η πλήρης αξιοποίηση του δικτύου µεταφοράς. 2

3 Ελεγκτές FACTS Η ανάπτυξη των ρυθµιστών FACTS ακολουθεί δύο βασικές προσεγγίσεις: Χωρητικές αντιδράσεις ή µετασχηµατιστές ρύθµισης λήψεως µε διακοπτικές διατάξεις thyristors. Στατικοί µετατροπείς ως µεταβλητές πηγές τάσεως. 3

4 FACTS ελεγχόµενα µε thyristors Συµπεριλαµβάνουν τις ακόλουθες κατηγορίες ελεγκτών: Static Var Compensators (SVC) Thyristor-Controlled Series Capacitors (TCSC) Phase-Shifters Ας σηµειωθεί ότι είναι παρόµοιοι µε πυκνωτές ή πηνία µε διακοπτική ζεύξη και Μ/Σ µε µηχανική αλλαγή λήψεως γωνίας, αλλά έχουν πολύ ταχύτερη απόκριση και καλύτερο έλεγχο. 4

5 Λειτουργία FACTS ελεγχόµενων µε thyristors Κάθε µία από τις προηγούµενες τρείς κατηγορίες FACTS επιδρά σε µία διαφορετική παράµετρο της γραµµής µεταφοράς: Τάση (SVC) Σύνθετη αντίσταση (TCSC) Γωνία τάσεως (Phase-Shifter) 5

6 Λειτουργία FACTS ελεγχόµενων µε thyristors 6

7 Προβλήµατα FACTS ελεγχόµενων µε thyristors Η εγκάρσια χωρητική αντιστάθµιση συνδυασµένη µε τον επαγωγικό χαρακτήρα του συστήµατος έχει ως αποτέλεσµα τον ηλεκτρικό συντονισµό του δικτύου µε συχνότητα µεγαλύτερη της θεµελιώδους (50 Hz) η οποία µπορεί να είναι κοντά στις αρµονικές (3η, 5η, 7η) του SVC αλλά και του δικτύου. Η χωρητική αντιστάθµιση σειράς έχει ως αποτέλεσµα τον ηλεκτρικό συντονισµό του δικτύου µε συχνότητα µικρότερη της θεµελιώδους (50 Hz), που µπορεί να αλληλεπιδράσει µε τις µηχανικές ταλαντώσεις των γεννητριών που τροφοδοτούν τη γραµµή και να προκαλέσει υποσύγχρονες ταλαντώσεις στο συνολικό σύστηµα. Προς αποφυγή των παραπάνω προβληµάτων: προστίθενται LC φίλτρα στα SVC ρυθµίζονται οι βαλβίδες των thyristors στα TCSC 7

8 ράση FACTS ελεγχόµενων µε thyristors Το TCSC προστίθεται εν σειρά στη γραµµή, έχοντας ως αποτέλεσµα µια τάση αντισταθµίσεως, η οποία αυξάνει την τάση κατά µήκος της γραµµής, επηρεάζοντας το ρεύµα γραµµής και τη µεταφερόµενη ισχύ. Συµπερασµατικά, η αντιστάθµιση σειράς είναι συνάρτηση του ρεύµατος της γραµµής. Το SVC θεωρείται ως µία εγκάρσια σύνθετη αντίσταση η οποία καθορίζει το απαιτούµενο ρεύµα αντιστάθµισης. Συµπερασµατικά, η εγκάρσια αντιστάθµιση είναι συνάρτηση της τάσεως της γραµµής. Αυτή η εξάρτηση από τις µεταβλητές της γραµµής (τάση και ρεύµα) είναι καθοριστική για την αντιστάθµιση όταν µεγάλες διαταραχές οδηγήσουν τα TCSC και SVC εκτός κανονικής περιοχής λειτουργίας. 8

9 Static Var Compensator Στατικός αντισταθµιστής αέργου ισχύος, αποτελούµενος από πυκνωτές µε θυρίστορς (thyristor-switched capacitors-tscs) και πηνία µε θυρίστορς (thyristor-controlled reactors-tcrs). 9

10 Χαρακτηριστική V-I του SVC 10

11 Ερµηνεία της χαρακτηριστικής V-I του SVC Το SVC ρυθµίζει την τάση της γραµµής µεταφοράς σε ένα συγκεκριµένο τερµατικό κόµβο. Η χαρακτηριστική V-I του SVC δείχνει ότι µπορεί να επιτευχθεί ρύθµιση µε δεδοµένη κλίση περί την ονοµαστική τάση, σε µία περιοχή λειτουργίας καθοριζόµενη από τα µέγιστα χωρητικά και επαγωγικά ρεύµατα του SVC. Το µέγιστο χωρητικό ρεύµα µειώνεται γραµµικά (και η παραγώµενη άεργος ισχύς τετραγωνικά) συναρτήσει της τάσεως, καθώς το SVC γίνεται ένας σταθερός πυκνωτής όταν φτάσουµε τη µέγιστη χωρητικότητα. 11

12 Μεταφερόµενη ισχύς στο SVC Εκτός από την ενίσχυση της τάσεως, τα SVCs χρησιµοποιούνται και για τη βελτίωση της µεταβατικής και δυναµικής ευστάθειας λόγω αυξήσεως της µεγίστης µεταφεροµένης ισχύος. 12

13 Thyristor-Controlled Series Capacitor Αντιστάθµιση µε πυκνωτές σειράς ελεγχόµενους από thyristors Ο βαθµός της αντιστάθµισης σειράς ελέγχεται µε αύξηση ή µείωση του αριθµού των βαθµίδων πυκνωτών. Αυτό επιτυγχάνεται µε είσοδο ή παράκαµψη κάθε πυκνωτή µέσω της βαλβίδας (διακόπτη) του thyristor. 13

14 Thyristor-Controlled Series Capacitor Πηνίο ελεγχόµενο από thyristor παράλληλα µε πυκνωτή σειράς Η αγωγιµότητα του TCR είναι µικρότερη από του παράλληλου πυκνωτή και ο βαθµός αντιστάθµισης µεγαλώνει (µικραίνει) µε αύξηση (µείωση) του χρόνου αγωγής και εποµένως και του ρεύµατος του TCR. Η ελάχιστη αντιστάθµιση επιτυγχάνεται όταν το TCR είναι εκτός (Off). 14

15 Phase-Shifter 15

16 Phase-Shifter Αποτελείται από έναν εγκάρσια τοποθετηµένο Μ/Σ διέγερσης µε κατάλληλες λήψεις, έναν Μ/Σ σειράς και µία διάταξη διακοπτών θυρίστορς συνδεδεµένη στο δευτερεύον του. Ο Μ/Σ διέγερσης έχει 3 δευτερεύοντα τυλίγµατα, µε λόγους 1:3:9. Μπορεί να παράγει 27 συνολικά βήµατα χρησιµοποιώντας µόνο 12 διακόπτες θυρίστορς ανά φάση. Η απαιτούµενη γωνία ρύθµισης µπορεί να υπολογιστεί µε µετρήσεις γωνίας (εάν είναι διαθέσιµες) ή ισχύος. Ο Μ/Σ ρύθµισης γωνίας επιτυγχάνει είτε εξισορρόπηση ροών ισχύος σε πολλαπλούς διαδρόµους γραµµών είτε αύξηση της µεταβατικής και δυναµικής ευστάθειας του συστήµατος. 16

17 FACTS ελεγχόµενα µε µετατροπείς (converters) Πρόκειται για ελεγχόµενες σύγχρονες πηγές εναλλασσόµενης τάσης ή ρεύµατος. Εχουν πολύ ανώτερη λειτουργικότητα για κάθε είδος αντιστάθµισης. Εκτός της άεργης αντιστάθµισης έχουν τη δυνατότητα άµεσης ανταλλαγής ενεργού ισχύος µε το δίκτυο, εξασφαλίζοντας πιό ευέλικτη διαχείριση ροής ισχύος και αντιµετώπιση δυναµικών διαταραχών. 17

18 Synchronous Voltage Source (SVS) Είναι ανάλογη µε µία ιδανική στρεφόµενη σύγχρονη µηχανή, η οποία παράγει ένα συµµετρικό τριφασικό σύστηµα τάσεων στη θεµελιώδη συχνότητα, µε ελεγχόµενο πλάτος και φάση. Αυτή η ιδανική µηχανή δεν έχει καθόλου αδράνεια, η απόκρισή της είναι πρακτικά στιγµιαία, δεν αλλάζει σηµαντικά την σύνθετη αντίσταση του δικτύου και µπορεί να παράγει άεργο ισχύ (χωρητική και επαγωγική). Μπορεί να ανταλλάσσει ενεργό ισχύ µε το δίκτυο, εάν διασυνδεθεί µε µία κατάλληλη πηγή ενέργειας ή οποία θα µπορεί να παρέχει ή να απορροφά την ισχύ που το SVS παρέχει στο ή απορροφά από το δίκτυο. 18

19 Λειτουργικό µοντέλο (SVS) 19

20 Λειτουργικό µοντέλο (SVS) Τα σήµατα αναφοράς Q ref και P ref προσδιορίζουν το πλάτος V και τη γωνία ψ της ηµιτονοειδούς τάσεως εξόδου και εποµένως και την ανταλλαγή αέργου και ενεργού ισχύος µεταξύ της πηγής τάσεως και του δικτύου AC. Εάν δεν απαιτείται ανταλλαγή ενεργού ισχύος (P ref =0), το SVS γίνεται µία αυτοδύναµη πηγή αέργου ισχύος και η εξωτερική πηγή ενέργειας δεν χρειάζεται πλέον. 20

21 Ιδιότητες SVS Το SVS µπορεί να επιτύχει ένα επιθυµητό ρεύµα παρέχοντας µια προκαθορισµένη τάση (ή µία επιθυµητή τάση παρέχοντας ένα προκαθορισµένο ρεύµα). Σε αντίθεση µε την αντιστάθµιση ελεγχόµενης σύνθετης αντίστασης, η αντιστάθµιση SVS είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τις µεταβλητές του δικτύου (ρεύµα, τάση ή γωνία) και µπορεί να διατηρηθεί σταθερή κατά τη διάρκεια µεγάλων διαταραχών στο δίκτυο. Το SVS µε σταθερές εισόδους θα λειτουργεί µόνο στη θεµελιώδη συχνότητα ενώ η σύνθετη αντίσταση εξόδου σε άλλες συχνότητες θα είναι πρακτικά µηδενική. Εποµένως µε τα SVS δε δηµιουργείται συντονισµός µε το δίκτυο. Λόγω της δυνατότητας αµφίπλευρης µεταφοράς ενεργού ισχύος µεταξύ των κόµβων AC και DC του SVS, είναι δυνατή η ζεύξη των DC κόµβων δύο ή περισσότερων SVSs και εποµένως ο καθορισµός διαδρόµων µεταφοράς ισχύος µεταξύ ζυγών ή γραµµών. 21

22 Οικογένεια FACTS µε διακοπτικούς µετατροπείς 22

23 Ιδιότητες ανά κατηγορία SVS Το STATCOM (όπως και το αντίστοιχο συµβατικό SVC) ρυθµίζει την τάση της γραµµής µέσω της άεργης αντιστάθµισης. Το SSSC παρέχει αντιστάθµιση σειράς, µε άµεσο έλεγχο της τάσεως κατά µήκος της σύνθετης αντίστασης της γραµµής. Το UPFC µπορεί να ελέγξει, µεµονωµένα ή σε συνδυασµό µε άλλα συστήµατα FACTS, και τις 3 παραµέτρους της γραµµής (τάση, σύνθετη αντίσταση και γωνία) ή άµεσα τη ροή ενεργού και αέργου ισχύος στη γραµµή. Το ΙPFC έχει τη δυνατότητα µεταφοράς ενεργού ισχύος µεταξύ γραµµών, εκτός από άεργο αντιστάθµιση σειράς, και εποµένως µπορεί να εξασφαλίσει ολοκληρωµένη διαχείριση ενεργού και αέργου ισχύος σε συστήµατα πολλαπλών γραµµών. 23

24 STAtic synchronous COMpensator (STATCOM) Εάν το SVS χρησιµοποιηθεί αποκλειστικά για εγκάρσια αντιστάθµιση, η DC πηγή ενέργειας µπορεί να αντικατασταθεί από έναν σχετικά µικρό DC πυκνωτή. 24

25 Τρόπος λειτουργίας του STATCOM Ο µετατροπέας διατηρεί τον πυκνωτή φορτισµένο στην επιθυµητή τάση. Αυτό επιτυγχάνεται µε τις τάσεις εξόδου του µετατροπέα να έπονται των τάσεων του δικτύου µε µία µικρή γωνία. Ετσι ο µετατροπέας απορροφά ένα µικρό ποσό ενεργού ισχύος από το AC σύστηµα, για να καλύπτει τις εσωτερικές απώλειες και να διατηρεί την τάση του πυκνωτή σ ένα επιθυµητό επίπεδο. Ο ίδιος µηχανισµός ελέγχου µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την αύξηση ή µείωση της τάσης του πυκνωτή και εποµένως και του πλάτους της τάσης εξόδου του µετατροπέα, ώστε να ελέγχεται η προσφορά ή απορρόφηση αέργου ισχύος. Ο πυκνωτής DC εξασφαλίζει επίσης την ενεργειακή ισορροπία µεταξύ εισόδου-εξόδου κατά τη διάρκεια δυναµικών αλλαγών της αέργου εξόδου. Αυτός ο τύπος SVS έχει παρόµοια λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως ένας ιδανικός σύγχρονος αντισταθµιστής και γι αυτό ονοµάζεται STATic synchronous COMpensator. Τα χαρακτηριστικά του υπερέχουν του συµβατικού SVC. 25

26 Χαρακτηριστική V-I του STATCOM 26

27 Ερµηνεία χαρακτηριστικής V-I του STATCOM Ο µετατροπέας STATCOM µπορεί να : εξασφαλίζει και χωρητική και επαγωγική αντιστάθµιση ελέγχει το ρεύµα εξόδου στην περιοχή λειτουργίας του δίνει πλήρες χωρητικό ρεύµα υπό οποιαδήποτε τάση δικτύου (πρακτικά και µηδενική) Αντιθέτως, το ρεύµα εξόδου του SVC, το οποίο αποτελείται από διακοπτόµενους πυκνωτές και πηνία µέσω thyristors, µειώνεται όταν ελαττώνεται η τάση του δικτύου. Ο µετατροπέας STATCOM έχει αυξηµένο µεταβατικό περιθώριο. Αντιθέτως, το SVC δε µπορεί να αυξήσει µεταβατικά την παραγωγή αέργου ισχύος, διότι το µέγιστο χωρητικό ρεύµα που µπορεί να δώσει καθορίζεται από το µέγεθος του πυκνωτή και την τάση του δικτύου. Η δυνατότητα του STATCOM να παράγει πλήρες χωρητικό ρεύµα υπό χαµηλή τάση δικτύου το κάνει εξαιρετικά αποτελεσµατικό στη βελτίωση της µεταβατικής ευστάθειας. 27

28 Μεταφερόµενη ισχύς στον STATCOM Ο µετατροπέας STATCOM χρησιµοποιείται και για τη βελτίωση της µεταβατικής και δυναµικής ευστάθειας, λόγω αυξήσεως της µεγίστης µεταφεροµένης ισχύος. 28

29 Σύγκριση ορίων µεταβατικής ευστάθειας STATCOM και SVC 29

30 Χωρητική αντιστάθµιση σειράς Η λειτουργία της χωρητικής αντιστάθµισης σειράς (µε πυκνωτή) είναι απλώς η παραγωγή µιας κατάλληλης τάσεως στη θεµελιώδη συχνότητα, ώστε να αυξηθεί η τάση κατά µήκος της επαγωγικής αντίδρασης της γραµµής, το ρεύµα στη γραµµή και η µεταφερόµενη ισχύς. Μαθηµατικά η παραγώµενη τάση του πυκνωτή δίνεται ως ακολούθως: V = jkxi όπου c V c : εγχυόµενη τάση αντιστάθµισης I : ρεύµα γραµµής X : επαγωγική αντίδραση γραµµής k : ποσοστό αντιστάθµισης σειράς (k = X c /X, 0 < k < 1) 30

31 Βασική αρχή του SSSC Ο µετατροπέας SSSC µπορεί να ελέγχει το πλάτος της εγχυόµενης τάσεως ανεξάρτητα από το πλάτος του ρεύµατος γραµµής. Για κανονική χωρητική αντιστάθµιση, το διάνυσµα της τάσεως εξόδου έπεται του ρεύµατος γραµµής κατά 90 ο. Με απλό έλεγχο όµως, το διάνυσµα της τάσεως εξόδου µπορεί να προπορεύεται του ρεύµατος γραµµής κατά 90 ο. Στην περίπτωση αυτή, η εγχυόµενη τάση µειώνει την τάση κατά µήκος της επαγωγικής αντίδρασης της γραµµής, που έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση της ισοδύναµης σύνθετης αντίστασης της γραµµής. 31

32 Static Synchronous Series Compensator (SSSC) Μια γενικευµένη έκφραση της εγχυόµενης τάσης δίνεται ως ακολούθως: όπου V( q ζ ) ζ V q I =± jv q( ζ ) I : µέτρο της εγχυόµενης τάσης αντιστάθµισης : παράµετρος ελέγχου V q (0 V ( ζ ) V ) q qmax Η µεταφερόµενη ισχύς µπορεί να γραφεί ισοδύναµα και ως: 2 V V δ P= sinδ + Vq cos X X 2 32

33 Μεταφερόµενη ισχύς στον SSSC Σύγκριση των δύο διαγραµµάτων (αντιστάθµιση µε πυκνωτή σειράς και SSSC) δείχνει ότι: ο πυκνωτής σειράς αυξάνει τη µεταφερόµενη ισχύ µε ένα σταθερό ποσοστό της µεταφερόµενης ισχύος από τη µη αντισταθµισµένη γραµµή στην ίδια γωνία δ ο SSSC αυξάνει τη µεταφερόµενη ισχύ µε ένα σταθερό ποσοστό της µέγιστης µεταφερόµενης ισχύος από τη µη αντισταθµισµένη γραµµή, ανεξάρτητα από τη γωνία δ, στην περιοχή τιµών π 0 δ 2 33

34 Unified Power Flow Controller (UPFC) Η εν σειρά εγχυόµενη τάση V pq ελέγχεται χωρίς περιορισµούς, δηλαδή η φασική της γωνία δ επιλέγεται, ανεξάρτητα από το ρεύµα γραµµής, µεταξύ 0 και 2π και το πλάτος της µεταξύ 0 και V pqmax. Αυτό σηµαίνει ότι ανταλλάσσεται και ενεργός και άεργος ισχύς µε τη γραµµή. Η απαιτούµενη ενεργός ισχύς προέρχεται από τη γεννήτρια στο άκρο αναχωρήσεως, όπως φαίνεται και από την αµοιβαία ζεύξη µεταξύ γεννήτριας και UPFC. 34

35 Υλοποίηση του UPFC Αποτελείται από δύο back-to-back µετατροπείς τάσεως, όπου ο εγκάρσια συνδεδεµένος µετατροπέας (άκρο αναχωρήσεως) παρέχει την ενεργό ισχύ, η οποία µεταφέρεται στη γραµµή µέσω του εν σειρά συνδεδεµένου µετατροπέα. 35

36 ιάγραµµα P-δ του UPFC Το παραπάνω UPFC ισχύος 0.5 p.u. MVA µπορεί να επιτελέσει τις ακόλουθες λειτουργίες: χωρητική ή επαγωγική αντιστάθµιση σειράς (V pq =V c ) στροφή γωνίας (phase-shifting) (V pq =V σ ) έλεγχο multi-function, µε τη µέγιστη περιοχή ελέγχου της ισχύος P 36

37 Πλεονεκτήµατα του UPFC Μπορεί να εξασφαλίζει επιθυµητά επίπεδα ενεργού και αέργου ισχύος της γραµµής, ελέγχοντας ουσιαστικά το πλάτος και τη γωνία της εγχυόµενης τάσεως, ώστε να προκύπτει συγκεκριµένο πλάτος και γωνία του ρεύµατος γραµµής ως προς µία τάση αναφοράς (π.χ. του άκρου αναχωρήσεως). Μπορεί να περάσει από τον έναν τρόπο λειτουργίας σε άλλο σε πραγµατικό χρόνο. 37

38 ιάγραµµα ενεργού/αέργου ισχύος UPFC Το διάγραµµα P-Q προέρχεται από την παρακάτω εξίσωση: ( ) 2 2 Q+1 r +P =1 όπου P, Q r εκφράζονται σε α.µ. τιµές και V 2 /X=1 α.µ. Η συνάρτηση Q=f(P) χωρίς αντιστάθµιση περιγράφεται από το ¼ κύκλου µε ακτίνα 1.0 και κέντρο (P 0 =0, Q 0 =-1.0). Για παράδειγµα, εάν δ=30 0 και V pqmax =0.5 α.µ., µε πλήρη περιστροφή του V pq κατά προκύπτει ένας κύκλος µε ακτίνα 0.5 και κέντρο που καθορίζεται από τις συντεταγµένες P=0.5 και Q=

39 Ο ρόλος του Interline Power Flow Controller (IPFC) Ευέλικτο σύστηµα ελέγχου ισχύος σε συστήµατα πολλαπλών γραµµών, όπου δύο ή περισσότερες γραµµές χρησιµοποιούν ένα SSSC για αντιστάθµιση σειράς. Το IPFC προσφέρει επιπλέον τη δυνατότητα µεταφοράς ενεργού ισχύος µεταξύ των αντισταθµιζόµενων γραµµών. Το IPFC παρέχει τη δυνατότητα: εξισορρόπησης ενεργού και αέργου ισχύος µεταξύ των γραµµών µεταφοράς φορτίου από υπερφορτισµένες σε µη υπερφορτισµένες γραµµές αντιστάθµισης ωµικής πτώσης τάσης και αέργου ισχύος γραµµής Το IPFC υλοποιείται µε δύο SSSC συνδεδεµένα back-to-back για ανταλλαγή ενεργού ισχύος. Κάθε SSSC συνδέεται σε διαφορετική γραµµή και µπορεί να παρέχει ανεξάρτητη χωρητική αντιστάθµιση σειράς στην αντίστοιχη γραµµή. 39

40 Interline Power Flow Controller (IPFC) 40

41 Λειτουργία του IPFC Η γραµµή 1 είναι η κύρια γραµµή της οποίας πρόκειται να βελτιστοποιηθεί η µεταφερόµενη ενεργός και άεργος ισχύς. Η γραµµή 2 υποτίθεται ότι έχει τέτοιο µέγεθος (capacity) ώστε να µπορεί να παρέχει την απαιτούµενη ενεργό ισχύ στη γραµµή 1. Ο µετατροπέας 1 του IPFC εγχύει µία κατάλληλη τάση αντιστάθµισης V 1pq (µε µέτρο V 1pq και γωνία ρ), ώστε να αλλάξει το µέτρο και τη γωνία του ρεύµατος Ι 1 και έτσι να επιτύχει τις επιθυµητές τιµές ενεργού P 1 και αέργου ισχύος Q 1 στη γραµµή 1. Το αντίστοιχο διανυσµατικό διάγραµµα επεξηγεί το µηχανισµό ελέγχου της ενεργού P 1 και αέργου ισχύος Q 1 στη γραµµή 1 µε παρόµοιο τρόπο όπως στο UPFC. 41

42 Ta Ηλεκτρονικά Ισχύος στα Συστήµατα Μεταφοράς Τα ηλεκτρονικά ισχύος εφαρµόστηκαν για πρώτη φορά στην αντιστάθµιση ηλεκτρικών δικτύων τη δεκαετία του Βασίζονταν σε ηµιαγωγικές διόδους και θυρίστορς (power semiconductor diodes and thyristors). Από τις πρώτες εφαρµογές ήταν τα συστήµατα µεταφοράς συνεχούς ρεύµατος (High Voltage DC-HVDC systems), βασισµένα σε ανορθωτές µε θυρίστορς και αντιστροφείς ισχύος (thyristor rectifiers and inverters). Ενας επαγωγικός αντισταθµιστής (thyristor-controlled reactor-tcr) απορροφά άεργο ισχύ ενώ ένας χωρητικός αντισταθµιστής (thyristorswitched capacitor-tsc) παρέχει άεργο ισχύ στο σύστηµα. Ενας παράλληλος συνδυασµός και των δύο συσκευών επιτρέπει συνεχή έλεγχο της αέργου ισχύος σε µία µεγάλη περιοχή τιµών, επαγωγικού και χωρητικού χαρακτήρα. Η τεχνολογία των θυρίστορς όµως, επιτρέπει µόνο τη δηµιουργία "γεννητριών" αέργου ισχύος. Αυτό το µειονέκτηµα ξεπεράστηκε µε την εισαγωγή των Gate Turn-Off (GTO) thyristors και την ανάπτυξη των σύγχρονων πηρών τάσεως (Synchronous Voltage Sources). 42

43 Βασικές λειτουργίες των ηλεκτρονικών ισχύος Οι βασικές λειτουργίες των στατικών µετατροπεών ισχύος στα ευέλικτα συστήµατα οµαδοποιούνται ως ακολούθως: Μετατροπείς ελέγχου του πλάτους της εναλλασσόµενης τάσεως του δικτύου: Thyristor Controlled Reactors (TCR), για εγκάρσια αντιστάθµιση Thyristor Switched Capacitors (TSC), για εγκάρσια αντιστάθµιση Thyristor Controlled Series Capacitors (TCSC), για αντιστάθµιση σειράς Πηγές τάσεως ή ρεύµατος: Static Compensators (STATCOM), για εγκάρσια αντιστάθµιση Static Synchronous Series Compensators (STATCOM), για αντιστάθµιση σειράς Unified Power Flow Controllers (UPFC), για αντιστάθµιση εγκάρσια και σειράς Μετατροπείς ισχύος από AC σε DC και αντίστροφα: High Voltage DC (HVDC) συστήµατα µεταφοράς 43

44 Κατάταξη ηµιαγωγικών διακοπτικών διατάξεων ισχύος Στα thyristors, η αγώγιµη κατάσταση επιτυγχάνεται µέσω ενός παλµού µεταξύ θύρας (gate) και καθόδου (cathode). Επιστροφή όµως στην κατάσταση φραγής απαιτεί µηδενισµό του ρεύµατος µέσω εξωτερικού κυκλώµατος. Στα Integrated Gate Bipolar Transistors (IGBT) και Gate Turn Off (GTO), οι καταστάσεις turn-on και turn-off επιτυγχάνονται µέσω της θύρας. 44

45 ιακοπτικά χαρακτηριστικά ηµιαγωγών ισχύος Στο thyristor, η επιστροφή στην κατάσταση φραγής µπορεί να επιτευχθεί µε µεταφορά του ρεύµατός του σε άλλον κλάδο του µετατροπέα ισχύος. Tα GTO συµπεριφέρονται ως δίοδοι για ανάστροφες τάσεις και εποµένως άγουν και στις δύο κατευθύνσεις. Η φραγή επιτυγχάνεται εγχύοντας αντίστροφο ρεύµα στη θύρα. Η συµπεριφορά του IGBT είναι παρόµοια µε του Bipolar Junction Transistor (BJT) στην πλευρά ισχύος και του Field Effect Transistor (MOSFET) στην πλευρά της θύρας. Το IGBT έχει µόνο εµπρόσθια φραγή τάσεως και συµπεριφέρεται ως δίοδος για ανάστροφες τάσεις. 45

46 Αρχές µετατροπέων ισχύος Στην περίπτωση (a), όπου έχουµε πηγή τάσεως, η έξοδος µπορεί να συνδεθεί σε ένα κύκλωµα µε χαρακτηριστικά πηγής ρεύµατος (µέσω επαγωγικού φορτίου). Στην περίπτωση (b), όπου έχουµε πηγή ρεύµατος, η έξοδος µπορεί να συνδεθεί σε ένα κύκλωµα µε χαρακτηριστικά πηγής τάσεως (µέσω χωρητικού φορτίου). 46

47 Κυκλώµατα AC ελεγχόµενα από thyristors a) Thyristor controlled reactor (TCR) b) Thyristor switched capacitor (TSC) c) Thyristor controlled phase shifting transformer (TCPST) 47

48 Βασικές τοπολογίες µετατροπέων AC/DC 48

49 Βασικά κυκλώµατα µετατροπέων AC/DC 49