Πολυτερματικά Δίκτυα Συνεχούς Ρεύματος και Υπεραγώγιμα Καλώδια

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικής Ενέργειας Πολυτερματικά Δίκτυα Συνεχούς Ρεύματος και Υπεραγώγιμα Καλώδια Διπλωματική Εργασία Σύρπας Αργύριος Χρήστος Επιβλέπων Καθηγητής : Λαμπρίδης Δημήτριος Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος

2 2

3 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μοντελοποίηση πολυτερματικών δικτύων συνεχούς ρεύματος (MTDC), που υλοποιούνται τόσο με συμβατική όσο και με υπεραγώγιμη διασυνδετική γραμμής συνεχούς ρεύματος. Αρχικά, γίνεται μια επισκόπηση της τεχνολογίας μεταφοράς ισχύος με υψηλή τάση συνεχούς ρεύματος (HVDC) και των δυνατοτήτων που προσφέρει, καθώς και μια εισαγωγή στην έννοια της πολυτερματικής τοπολογίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται θέματα που αφορούν τον έλεγχο ενός HVDC πολυτερματικού δικτύου τόσο στην κανονική λειτουργία όσο και στην περίπτωση σφαλμάτων και διαταραχών. Περιγράφονται οι κύριες στρατηγικές ελέγχου των μετατροπέων και επιλέγεται ο έλεγχος στατισμού για την ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία των δικτύων μας. Ακόμη, μελετάται η λειτουργία του ελέγχου της διάταξης, με κύριο γνώμονα την απόκριση σε μεταβατικά φαινόμενα, όπως τριφασικά και μονοφασικά βραχυκυκλώματα στο εναλλασσόμενο δίκτυο και μεταβολές της ενεργού και αέργου ισχύος. Στο δεύτερο σκέλος της διπλωματικής, διαστασιολογούνται διάφορα μοντέλα πολυτερματικών δικτύων συνεχούς ρεύματος που συνδέουν στιβαρά εναλλασσόμενα δίκτυα χρησιμοποιώντας μετατροπείς πηγής τάσης (VSC). Οι τοπολογίες που επιλέγονται είναι η ακτινική τριών τερματικών και η βροχοειδής τεσσάρων τερματικών. Η υλοποίηση της dc διασυνδετικής γραμμής γίνεται με τα μοντέλα του π-ισοδύναμου και των διανεμημένων παραμέτρων, τόσο για το συμβατικό όσο και για το υπεραγώγιμο καλώδιο. Στη συνέχεια ακολουθούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, λαμβάνοντας υπόψιν κάθε φορά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε μοντέλου, όπως π.χ. την ελλιπή απόσβεση της υπεραγώγιμης μεταφοράς. Μετά τις προσομειώσεις της μόνιμης κατάστασης, η γραμμή υποβάλλεται σε μια σειρά μεταβατικών φαινομένων και αποτυπώνεται η απόκρισή της. Τέλος, εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με τη βιωσιμότητα της πολυτερματικής τοπολογίας και της υπεραγώγιμης τεχνολογίας και παρουσιάζονται ιδέες και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη. Το σύνολο των προσομοιώσεων των μοντέλων πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον Matlab/Simulink της MathWorks. 3

4 Abstract This dissertation thesis focuses on the modeling of multi-terminal DC networks (MTDC), which are implemented with both conventional and superconducting interconnecting DC lines. First, an overview of the power transfer technology with high voltage direct current (HVDC) is presented along with the possibilities it offers, as well as an introduction to the concept of multi-terminal topology. In the next step, various issues are addressed, mainly concerning the control of a HVDC multi-terminal network both in normal operation and in case of errors and disturbances. Consequently, the main control strategies of the inverters are described and the droop control is selected as a consistent option for the safe and reliable operation of our networks. Furthermore, functionality and robustness of the model s control is studied, with particular reference to the system s transient response, such as three-phase and single phase short circuits on the AC network and rapid changes of active and reactive power. In the second part of the thesis, various models incorporating conventional and superconducting dc cables, connecting stiff ac networks using voltage source converters (VSC) are modeled. We choose to implement the radial topology with three terminals and the simple loop with four terminals. The implementation of the dc interconnection line is made with models of p-equivalent and distributed parameters, which are used for the conventional as well as for the superconducting cable. Later, the results of the simulations are presented, taking into account each time the particular characteristics of each model, such as the incomplete damping of faults for the superconducting transmission. After the simulations of steady state, the dc line is subjected to a series of transients and the responses are analyzed. Finally, conclusions are drawn on the sustainability of the multi-terminal topology and the superconducting technology and both ideas and suggestions are elaborated for further research and development. All the simulations of the models were implemented in Matlab/Simulink software. 4

5 Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Δημήτρη Λαμπρίδη για τη δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα όπως αυτό των πολυτερματικών δικτύων στα πλαίσια της διπλωματικής μου. Επίσης, ένα μεγάλο ευχαριστώ στο διδακτορικό φοιτητή κ. Δημήτρη Δούκα, που χωρίς τις συμβουλές και την καθοδήγησή του δεν θα ήταν δυνατή η πραγματοποίηση αυτής της διπλωματικής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου, τον αδερφό μου, καθώς και τους φίλους και όλους τους ανθρώπους που με στηρίζουν συνεχώς και μου συμπαραστέκονται όλα αυτά τα χρόνια. Κυριακή, 6 Νοεμβρίου

6 Περιεχόμενα 1. Πολυτερματικά Δίκτυα Συνεχούς Ρεύματος Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες στο AC και DC Κόστος εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς Τεχνολογία HVDC Πολυτερματικά HVDC Δίκτυα (Multi-terminal DC, MTDC) Υπεραγώγιμα Καλώδια Στρατηγικές ελέγχου πολυτερματικών δικτύων Μοντέλα προσομοίωσης AC διασυνδεόμενο δίκτυο Μετασχηματιστής AC φίλτρα Αυτεπαγωγή γραμμής Γέφυρα μετατροπής DC μέρος Πηνίο εξομάλυνσης Πυκνωτής στήριξης Φίλτρο 3 ης αρμονικής Μοντέλο καλωδίου Α Συμβατικό καλώδιο με π-ισοδύναμο Β Συμβατικό καλώδιο με διανεμημένες παραμέτρους Γ Υπεραγώγιμο καλώδιο με π-ισοδύναμο Δ Υπεραγώγιμο καλώδιο με διανεμημένες παραμέτρους Έλεγχος της DC διασυνδετικής γραμμής Προσομοίωση μόνιμης κατάστασης Μοντέλο pi_3_conv Μοντέλο pi_3_2hts Μοντέλο dis_3_conv

7 6.4 Μοντέλο dis_3_2hts Μοντέλο pi_4_conv Μοντέλο pi_4_4hts Μοντέλο dis_4_conv Μοντέλο dis_4_4hts Σφάλματα στο εναλλασσόμενο δίκτυο Τριφασικό βραχυκύκλωμα Α Μοντέλο pi_3_conv Β Μοντέλο pi_3_2ητs Γ Μοντέλο pi_4_conv Δ Μοντέλο pi_4_4hts Μονοφασικό βραχυκύκλωμα Α Μοντέλο pi_3_conv Β Μοντέλο pi_4_conv Μεταβολές ροής ισχύος Μεταβολές ενεργού ισχύος Μεταβολές αέργου ισχύος Ταυτόχρονες μεταβολές ενεργού-αέργου ισχύος Σύνοψη - Συμπεράσματα Προτάσεις Πηγές - Βιβλιογραφία

8 Πίνακας Σχημάτων Σχήμα 1.1 Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Σχήμα 1.2 Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς Σχήμα 1.3 Μονογραμμικό διάγραμμα τυπικού σταθμού μετατροπής Σχήμα 1.4 Κατηγοριοποίηση των HVDC συστημάτων μεταφοράς Σχήμα 1.5 Πολυτερματική τοπολογία [multiterminal HVDC, MTDC] Σχήμα 1.6 Είδη πολυτερματικής τοπολογίας Σχήμα 1.7 Πιθανή διαμόρφωση του Ευρωπαϊκού Υπερδικτύου Σχήμα 1.8 Ο υβριδικός dc διακόπτης της ABB Σχήμα 2.1 Σχεδίαση υπεραγώγιμου HVDC καλωδίου Σχήμα 2.2 Διάγραμμα της υπεραγωγιμότητας Σχήμα 3.1 Χαρακτηριστική P-V του μετατροπέα master Σχήμα 3.2 Χαρακτηριστική P-V του μετατροπέα slave Σχήμα 3.3 Μπλοκ διαγράμματα για την υλοποίηση του ελέγχου της dc τάσης και της ενεργόυ ισχύος Σχήμα 3.4 Χαρακτηριστική P-V για τον έλεγχο voltage margin Σχήμα 3.5 Χαρακτηριστικές τάσης ρεύματος (V-I) και τάσης ισχύος (V-P). 30 Σχήμα 3.6 Μπλοκ διάγραμμα για την υλοποίηση του στατισμόυ (droop) Σχήμα 4.1 Το μοντέλο των 3 τερματικών με ακτινική τοπολγία Σχήμα 4.2 Το μοντέλο των 4 τερματικών με τοπολογία βρόχου Σχήμα 4.3 Το μοντέλο του δικτύου στο Simulink Σχήμα 4.4 Το μοντέλο του μετασχηματιστή στο Simulink Σχήμα 4.5 Το μοντέλο των AC φίλτρων στο Simulink και το εσωτερικό του Σχήμα 4.6 Το μοντέλο της γέφυρας μετατροπής στο Simulink και οι παράμετροί του Σχήμα 4.7 Το γενικό μοντέλο του dc μέρους στο Simulink Σχήμα 4.8 Το π-ισοδύναμο μοντέλο της γραμμής μεταφοράς Σχήμα 4.9 Το π-ισοδύναμο μοντέλο της υπεραγώγιμης γραμμής μεταφοράς Σχήμα 4.10 Η υλοποίηση της μεταβλητής αντίστασης στο Simulink Σχήμα 4.11 Το μοντέλο του υπεραγώγιμου καλωδίου με διανεμημένες παραμέτρους Σχήμα 5.1 Η υλοποίηση του ελέγχου στατισμού στο Simulink Σχήμα 5.2 Η υλοποίηση του σταθμού ελέγχου στο Simulink Σχήμα 6.1 Τα 3 dc ρεύματα στο μοντέλο pi_3_conv

9 Σχήμα 6.2 Τα 3 dc ρεύματα στο μοντέλο pi_3_conv με κατάλληλη εστίαση Σχήμα 6.3 Οι 3 dc τάσεις στο μοντέλο pi_3_conv Σχήμα 6.4 Οι 3 dc τάσεις στο μοντέλο pi_3_conv με κατάλληλη εστίαση Σχήμα 6.5 Οι αποκρίσεις της ενεργόυ και της αέργου ισχύος Σχήμα 6.6 Η ac τάση και το ρεύμα για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 6.7 Αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης και του ρεύματος Σχήμα 6.8 Αρμονική παραμόρφωση της dc τάσης και του ρεύματος στο μοντέλο pi_3_2hts Σχήμα 6.9 Οι dc τάσεις των 3 τερματικών Σχήμα 6.10 Οι dc τάσεις των 3 τερματικών με κατάλληλη εστίαση Σχήμα 6.11 Η αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και την τάση στο μοντέλο dis_3_conv Σχήμα 6.12 Η αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και την τάση στο μοντέλο dis_3_2hts Σχήμα 6.13 Τα dc ρεύματα των 4 μετατροπέων Σχήμα 6.14 Οι 4 dc τάσεις στη μόνιμη κατάσταση Σχήμα 6.15 Οι 4 dc τάσεις μετά από κατάλληλη εστίαση Σχήμα 6.16 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος Σχήμα 6.17 Η ac τάση στο 1 ο δίκτυο Σχήμα 6.18 Τα ac ρεύματα των 4 δικτύων Σχήμα 6.19 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης Σχήμα 6.20 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του ac ρεύματος Σχήμα 6.21 Τα dc ρεύματα Σχήμα 6.22 Οι dc τάσεις των 4 ζυγών Σχήμα 6.23 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του ac ρεύματος Σχήμα 6.24 Οι 4 dc τάσεις σε κοινό διάγραμμα με κτάλληλη εστίαση Σχήμα 6.25 Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του dc ρεύματος Σχήμα 6.26 Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της dc τάσης Σχήμα 7.1 Τα 3 dc ρεύματα Σχήμα 7.2 Οι 3 dc τάσεις Σχήμα 7.3 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος Σχήμα 7.4 Η απόκριση της ac τάσης Σχήμα 7.5 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων Σχήμα 7.6 Οι αποκρίσεις των 2 dc ρευμάτων των καλωδίων Σχήμα 7.7 Οι αποκρίσεις των 3 dc τάσεων Σχήμα 7.8 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος Σχήμα 7.9 Η απόκριση της ac τάσης Σχήμα 7.10 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων

10 Σχήμα 7.11 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων Σχήμα 7.12 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων Σχήμα 7.13 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος Σχήμα 7.14 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων Σχήμα 7.15 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων Σχήμα 7.16 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος Σχήμα 7.17 Οι αποκρίσεις των 4 ac ρευμάτων Σχήμα 7.18 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο Σχήμα 7.19 Οι αποκρίσεις της ενεργού ισχύος για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο Σχήμα 7.20 Οι αποκρίσεις της αέργου ισχύος για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο Σχήμα 7.21 Οι αποκρίσεις των 3 dc ρευμάτων Σχήμα 7.22 Οι αποκρίσεις των 3 dc τάσεων Σχήμα 7.23 Η απόκριση της ενεργού ισχύος Σχήμα 7.24 Η απόκριση της αέργου ισχύος Σχήμα 7.25 Η ac τάση Σχήμα 7.26 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων Σχήμα 7.27 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων Σχήμα 7.28 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων Σχήμα 7.29 Οι αποκρίσεις της ενεργού και της αέργου ισχύος Σχήμα 7.30 Η απόκριση του ρεύματος του 1 ου δικτύου Σχήμα 8.1 Η απόκριση των 3 dc ρευμάτων συναρτήσει της μεταβολής της ισχύος Σχήμα 8.2 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.3 Η απόκριση της dc τάσης για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.4 Η απόκριση του ac ρεύματος για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.5 Η απόκριση του dc ρεύματος για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.6 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.7 Η απόκριση της dc τάσης για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.8 Η απόκριση του ac ρεύματος για τον 1 ο σταθμό Σχήμα 8.9 Η απόκριση των 3 dc ρευμάτων του θετικού πόλου του καλωδίου..110 Σχήμα 8.10 Οι 3 dc τάσεις για τις δύο περιπτώσεις Σχήμα 8.11 Η απόκριση της ενεργού και της αέργου ισχύος για την 1 η περίπτωση Σχήμα 8.12 Η απόκριση του ac ρεύματος του 1 ου σταθμού

11 Σχήμα 8.13 Η απόκριση της ενεργού και της αέργου ισχύος για τη 2 η περίπτωση Σχήμα 10.1 Πολυτερματικό δίκτυο με στιβαρά δίκτυα και παθητικά φορτία

12 1. Πολυτερματικά Δίκτυα Συνεχούς Ρεύματος 1.1 Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες στο AC και DC Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας ξεκίνησε γύρω στο 1880 χρησιμοποιώντας αρχικά συνεχή τάση. Αργότερα, με την ανάπτυξη των μετασχηματιστών, των μηχανών, των σύγχρονων γεννητριών καθώς και των μέσων για τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, όποτε απαιτείτο, η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω εναλλασσόμενης υψηλής τάσης (HVAC) αντικατέστησε γρήγορα τη μεταφορά μέσω συνεχούς υψηλής τάσης (HVDC). Η επικράτηση του εναλλασσόμενου ρεύματος για την ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων ήταν όλα αυτά τα χρόνια σχεδόν καθολική. Ωστόσο, η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος καθώς και η διαπίστωση ότι το συνεχές ρεύμα παρουσιάζει συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με το εναλλασσόμενο, κυρίως για μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις, φανέρωσαν νέες δυνατότητες για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω HVDC [1]. Ένα συμβατικό AC δίκτυο λειτουργεί στη συχνότητα των 50 ή 60 Ηz. Το επίπεδο της AC τάσης διαφοροποιείται ανάλογα με την ποσότητα της ισχύος που απαιτείται και την απόσταση μεταφοράς. Τα κύρια μειονέκτηματά του σε σύγκριση με ένα HVDC δίκτυο είναι οι μεγαλύτερες απώλειες ισχύος και η περιορισμένη απόσταση μεταφοράς, όπως μπορεί να φανεί από την παρακάτω ανάλυση. 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 (αντίστασης R) τότε η μεταφερόμενη ισχύς θα δίνεται από τις παρακάτω σχέσεις : HVDC δίκτυο : P 2 V Idc (1.1) V HVAC δίκτυο : P 3 Iac cos (1.2) 2 Εξισώνοντας προκύπτει : I I I 3 cos cos ac dc dc (1.3) 12

13 Οι απώλειες ισχύος ( P l ) για τα δύο δίκτυα υπολογίζονται από τις σχέσεις : HVDC δίκτυο : P 2 I R (1.4) dc 2 dc HVAC δίκτυο : P 3 I R 3 I R I R ac ac 2 3 cos dc 3 cos dc 2 (1.5) Επομένως P dc 2 3 cos Pac (1.6) 4 Η διαφορά στις απώλειες ισχύος είναι ακόμη μεγαλύτερη εάν ληφθεί υπόψη στην ανάλυση η μεγαλύτερη αντίσταση των αγωγών υπό HVAC λόγω του επιδερμικού φαινομένου και της μεγαλύτερης εγγύτητας των αγωγών (φαινόμενο γειτνίασης). Επίσης, εάν 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 : Pdc Vdc Idc (1.7) HVAC δίκτυο : και εφόσον Idc P V I cos (1.8) ac ac ac I και V 2 V ac dc ac προκύπτει ότι για αγωγούς μεταφοράς ίδιας διατομής P dc 2 Pac (1.9) cos Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι ένα HVDC δίκτυο μεταφοράς μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ισχύ ανά αγωγό ενώ για την ίδια δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος έχει λιγότερες απώλειες ισχύος σε σχέση με ένα HVAC δίκτυο μεταφοράς. Ωστόσο, πρέπει να αναφερθεί ότι στις συνολικές απώλειες των δικτύων μεταφοράς πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και οι απώλειες των τερματικών σταθμών του, οι οποίες είναι μεγαλύτερες στην περίπτωση της HVDC μεταφοράς λόγω της μετατροπής της τάσης. Τα επιπλέον πλεονεκτήματα, από τεχνικής πλευράς, που προσφέρει η τεχνολογία HVDC σε σχέση με την HVAC είναι η δυνατότητα ασφαλούς 13

14 διασύνδεσης δύο ασύγχρονων μεταξύ τους δικτύων (π.χ. δίκτυα γειτονικών χωρών), η μη απαίτηση αέργου αντιστάθμισης (ιδιαίτερα σημαντικό για μακρινές υποβρύχιες διασυνδέσεις), οι μεγάλες δυνατότητες ελεγξιμότητας ενός συστήματος HVDC (π.χ ακριβής έλεγχος της ενεργού ισχύος) και η περιορισμένη συμβολή στο ρεύμα βραχυκυκλώσεως του δικτύου στο οποίο συνδέεται (π.χ. κατά τη διασύνδεση μιας μονάδας παραγωγής) [2]. Στο παρακάτω σχήμα γίνεται σύγκριση των απωλειών ισχύος γραμμών μεταφοράς 1200 MW για τα δύο συστήματα συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς. Σχήμα 1.1 Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς. 1.2 Κόστος εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς Οι HVDC γραμμές μεταφοράς στοιχίζουν λιγότερο από τις HVAC γραμμές αντίστοιχης δυνατότητας μεταφερόμενης ισχύος. Αυτό οφείλεται μεταξύ άλλων στο ότι για τη μεταφορά ίδιας ποσότητας ηλεκτρικής ισχύος απαιτούνται λιγότεροι αγωγοί. Μία διπολική HVDC γραμμή μεταφοράς απαιτεί δύο αγωγούς αντί των τριών, σε πολλές περιπτώσεις και έξι, που απαιτεί μία τριφασική HVAC γραμμή μεταφοράς. Πέραν των λιγότερων αγωγών, άρα και των μονώσεων, τόσο οι ηλεκτρικές όσο και οι μηχανικές απαιτήσεις οδηγούν σε μικρότερους από άποψη διαστάσεων άρα και κόστους πυλώνες. Επομένως και η γη δουλείας 14

15 που απαιτείται για την όδευση των HVDC γραμμών μεταφοράς είναι μικρότερη. Χαρακτηριστικά, το δικαίωμα όδευσης μίας HVAC γραμμής μεταφοράς 2000 MW είναι περίπου 70% μεγαλύτερο σε σχέση με το αντίστοιχο μίας HVDC γραμμής μεταφοράς αντίστοιχης δυνατότητας μεταφερόμενης ισχύος. Από την άλλη στο κόστος ενός συστήματος HVDC συμπεριλαμβάνεται και το υψηλό κόστος των μετατροπέων AC/DC, αυξάνοντας έτσι το συνολικό κόστος της επένδυσης. Επομένως η τεχνολογία HVDC κρίνεται συμφέρουσα για αποστάσεις μεγαλύτερες από μια κρίσιμη απόσταση, όπως φαίνεται και στο κάτωθι σχήμα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι τυπικές τιμές της κρίσιμης απόστασης για εναέρια μεταφορά είναι τα χιλιόμετρα, ενώ στην περίπτωση υποβρύχιων διασυνδέσεων η απόσταση μειώνεται στα 50 χιλιόμετρα και είναι κυρίως συνάρτηση του κόστους αντιστάθμισης που απαιτείται κατά την HVAC μεταφορά [3]. Σχήμα 1.2 Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς. 15

16 1.3 Τεχνολογία HVDC Το κύριο στοιχείο ενός HVDC δικτύου είναι ο μετατροπέας. Ανάλογα με τον τύπο μετατροπέα που χρησιμοποιούν διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η μία κατηγορία είναι τα συστήματα CSC-HVDC (γνωστή και ως HVDC Classic) με μετατροπείς πηγής ρεύματος (Current Source Converters) και η άλλη τα συστήματα VSC-HVDC (γνωστή και ως HVDC Light) με μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage Source Converters). H θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των δύο μετατροπέων είναι ότι ο μετατροπέας πηγής ρεύματος χρησιμοποιεί ως ημιαγωγικό στοιχείο το θυρίστορ, του οποίου η μεταγωγή είναι μερικώς ελεγχόμενη (μετατροπέας φυσικής μεταγωγής, line-commutated converter), σε αντίθεση με το μετατροπέα πηγής τάσης που χρησιμοποιεί το πλήρως ελεγχόμενο IGBT (αυτομεταγόμενος μετατροπέας, self-commutated converter). Η σημαντική διαφορά ανάμεσα στα δύο ημιαγωγικά στοιχεία είναι ότι το θυρίστορ είναι στοιχείο μονής κατεύθυνσης ενώ το IGBT διπλής, με την έννοια ότι μπορεί να άγει ρεύμα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα στο μετατροπέα πηγής ρεύματος το DC ρεύμα να διατηρεί σταθερή πολικότητα και επομένως η κατεύθυνση της ροής ισχύος να καθορίζεται από την πολικότητα της DC τάσης, με την DC πλευρά του μετατροπέα να συνδέεται σε σειρά με ένα πηνίο μεγάλης αυτεπαγωγής. Αντίστροφα, στο μετατροπέα πηγής τάσης η πολικότητα της DC τάσης είναι αυτή που διατηρείται σταθερή και η κατεύθυνση της ισχύος καθορίζεται από την πολικότητα του DC ρεύματος, ενώ σε αυτή την περίπτωση η DC πλευρά του μετατροπέα συνδέεται παράλληλα με έναν πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας. Όσον αφορά τη ρύθμιση της ροής ισχύος, μέσω του μετατροπέα πηγής τάσης δημιουργείται η δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου της ενεργούς και της άεργου ισχύος. Αυτό γίνεται εφικτό λόγω της δυνατότητας ελέγχου της έναυσης και της σβέσης των διακοπτικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται στους μετατροπείς πηγής τάσης, σε συνδυασμό με τη διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM) και του μετασχηματισμού Ρark. Αντιθέτως, στους μετατροπείς πηγής ρεύματος η ροή της ενεργούς και της άεργου ισχύος είναι δύο αλληλένδετα μεγέθη τα οποία ελέγχονται από την γωνία έναυσης ή σβέσης των θυρίστορς και από την rms τιμή της πολικής τάσης στην είσοδο του μετατροπέα [4]. Άλλο ένα βασικό χαρακτηριστικό των μετατροπέων πηγής τάσης είναι η δυνατότητα ρύθμισης της άεργου ισχύος. Στον αντίποδα οι μετατροπείς πηγής ρεύματος λειτουργούν με επαγωγικό συντελεστή ισχύος. Επομένως, υπάρχει η 16

17 ανάγκη για αντιστάθμιση, η οποία επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης φίλτρων με μεταβλητά χωρητικά στοιχεία. Επίσης, στα CSC συστήματα ο έλεγχος των θυρίστορς της διάταξης έχει άμεση σχέση με τη συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης που εφαρμόζεται στην έξοδο του μετατροπέα. Η ιδιότητα αυτή καθιστά αναγκαία την παρουσία ενός άπειρου ζυγού, κάτι που δεν είναι απαραίτητο σε ένα VSC σύστημα. Άλλα πλεονεκτήματα των VSC συστημάτων είναι η ικανότητα εκκίνησης και λειτουργίας μετά από ολική σβέση του δικτύου (black start capability), η μη ύπαρξη κινδύνου για σφάλμα μετάβασης, το μικρότερο αρμονικό περιεχόμενο της τάσης και ο μικρότερος όγκος του σταθμού του μετατροπέα [5]. Όλα τα παραπάνω, με καθοριστικότερο παράγοντα τη μη απαίτηση για αλλαγή της πολικότητας της DC τάσης σε αλλαγή της ροής ισχύος, οδήγησαν στη χρήση των μετατροπέων πηγής τάσης για την υλοποίηση HVDC πολυτερματικών δικτύων (multiterminal ή MTDC), τα οποία θα επεξηγηθούν σε επόμενη ενότητα. Στα συγκριτικά μειονεκτήματα της τεχνολογίας VSC-HVDC συγκαταλέγονται η περιορισμένη δυνατότητα μεταφοράς πολύ μεγάλης ισχύος ( MW) σε σχέση με την τεχνολογία CSC-HVDC (έως 8000 MW), η μειωμένη ικανότητα υπερφόρτισης, τα μεγαλύτερα ρεύματα βραχυκύκλωσης σε περίπτωση σφάλματος στην DC πλευρά, οι υψηλότερες διακοπτικές απώλειες λόγω εφαρμογής της τεχνικής PWM και το υψηλότερο κόστος κατά 10-15% [6]. Σχήμα 1.3 Μονογραμμικό διάγραμμα τυπικού σταθμού μετατροπής. Tο τυπικό διάγραμμα ενός VSC-HVDC σταθμού δίνεται στο παραπάνω σχήμα. Ένας τυπικός VSC-HVDC σταθμός αποτελείται από το μετατροπέα, μετασχηματιστές, αυτεπαγωγές, ac φίλτρα, πυκνωτές στη dc πλευρά και το σύστημα ελέγχου [7]. 17

18 1.4 Πολυτερματικά HVDC Δίκτυα (Multi-terminal DC, MTDC) Η ακριβής τοπολογία ενός HVDC συστήματος εξαρτάται από τις ανάγκες και τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής. Η βασική διάκριση στηρίζεται στον αριθμό των μετατροπέων που υπάρχουν σε κάθε τερματικό σταθμό, που μπορεί να είναι ένα ή δύο, με αποτέλεσμα να έχουμε τη μονοπολική και τη διπολική διασύνδεση αντίστοιχα. Η μονοπολική διασύνδεση χρησιμοποιεί έναν μόνο αγωγό, ενώ η διπολική δύο από τους οποίους ο ένας αγωγός λειτουργεί με τάση θετικής πολικότητας και ο άλλος με τάση αρνητικής πολικότητας. Μια επιπλέον διάκριση βασίζεται στο είδος του αγωγού επιστροφής. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συνοπτικά οι ισχύουσες τοπολογίες [8]. Αγωγός επιστροφής Αριθμός των μετατροπέων Μονοπολική Διπολική Συμμετρική Ηλεκτρόδιο γείωσης Γη Μεταλλικός ουδέτερος Μεταλλικός αγωγός Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται οι διάφορες τοπολογίες. Όλες μπορούν να επεκταθούν για να εξυπηρετήσουν πολυτερματικά δίκτυα. Συμμετρική μονοπολική Ασύμμετρη μονοπολική, μεταλλική επιστροφή 18

19 Ασύμμετρη μονοπολική, επιστροφή γης Διπολική με ηλεκτρόδια γείωσης Διπολική με μεταλλικό ουδέτερο Σχήμα 1.4 Κατηγοριοποίηση των HVDC συστημάτων μεταφοράς Στην περίπτωση που υπάρχουν περισσότερα από δύο τερματικά γίνεται αναφορά για πολυτερματική τοπολογία ή πολυτερματικό δίκτυο, ενώ υπάρχει αρκετή ευελιξία στη διαμόρφωση μιας τέτοιας τοπολογίας. Οι τερματικοί σταθμοί μπορούν να συνδέονται είτε παράλληλα, δηλαδή στην ίδια DC τάση, είτε 19

20 σε σειρά όπου και θα διαρρέονται από το ίδιο DC ρεύμα. Με την ανάπτυξη ενός πολυτερματικού δικτύου είναι δυνατή η διασύνδεση περισσότερων από δύο AC δικτύων, καθώς και η διασύνδεση περισσότερων απομακρυσμένων υπεράκτιων (offshore) αιολικών πάρκων με το δίκτυο. Η συνήθης τακτική που ακολουθείται σήμερα είναι η διασύνδεση κάθε offshore αιολικού πάρκου με μια αποκλειστική HVDC γραμμή μεταφοράς, οπότε κάθε νέα εγκατάσταση πάρκου απαιτεί και την κατασκευή μιας νέας γραμμής HVDC. Η παραπάνω τακτική αποτελεί ένα τροχοπέδη για την κατασκευή νέων offshore αιολικών πάρκων, για λόγους οικονομικούς και περιβαλλοντικούς. Μέσω της δημιουργίας πολυτερματικών δικτύων δίνεται η δυνατότητα σύνδεσης του μετατροπέα ενός νέου πάρκου στην κοντινότερη ήδη υπάρχουσα DC γραμμή [9]. Μια τέτοια δυνατότητα μειώνει φυσικά το κόστος επένδυσης και περιορίζει τις απώλειες ενέργειας λόγω και της χρήσης λιγότερων μετατροπέων. Πολυτερματική διασύνδεση Σχήμα 1.5 Πολυτερματική τοπολογία [multiterminal HVDC, MTDC]. Στην εικονιζόμενη περίπτωση ο τρίτος μετατροπέας συνδέεται στην υπάρχουσα γραμμή παράλληλα, χωρίς κάτι τέτοιο να είναι δεσμευτικό. Στο σχήμα στα δεξιά παρουσιάζονται τέσσερις πιθανοί τρόποι διαμόρφωσης ενός πολυτερματικού δικτύου. Η τοπολογία μπορεί να είναι ακτινική (A), πλέγμα (B), απλός βρόχος (C) και σύνθετος βρόχος (D). Η επιλογή του τύπου διαμόρφωσης του HVDC δικτύου εξαρτάται κάθε φορά από διαφορετικούς παράγοντες και καθορίζεται από τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της κάθε εφαρμογής. Κάθε τοπολογία παρουσιάζει διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, σε 20 Σχήμα 1.6 Είδη πολυτερματικής τοπολογίας.

21 συνθήκες ομαλής λειτουργίας ο σύνθετος βρόχος παρουσιάζει εν γένει την καλύτερη απόδοση, ενώ σε σφάλματα η απόκρισή του είναι η χειρότερη. Το ακριβώς αντίστροφο ισχύει για την τοπολογία πλέγματος, ενώ η ακτινική και ο απλός βρόχος παρουσιάζουν ενδιάμεσες αποδόσεις [10]. Τα πολυτερματικά HVDC συστήματα παρουσιάζουν λοιπόν περισσότερα προτερήματα σε σχέση με τις HVDC διασυνδέσεις δύο τερματικών (point-topoint) σε ότι αφορά την ευελιξία στον καταμερισμό της ισχύος, την αξιόπιστη και συνεχή λειτουργία του συστήματος και την εξοικονόμηση πόρων. Συγκεκριμένα, επιτρέπουν τη διασύνδεση περισσότερων από δύο απομακρυσμένων AC δικτύων και στήριξη της συχνότητάς τους [11]. Σε περίπτωση που κάποιο AC δίκτυο ή κάποια DC γραμμή εμφανίσει οποιαδήποτε πρόβλημα, υπάρχει η δυνατότητα η ισχύς να μεταφερθεί μέσω κάποιας εναλλακτικής διαδρομής. Αντίθετα, σε μια point-to-point διασύνδεση ένα αντίστοιχο σφάλμα θα οδηγούσε στην κατάρρευσή της. Επίσης, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η πολυτερματική τοπολογία παρέχει τη δυνατότητα για την οικονομικά συμφέρουσα διασύνδεση περισσότερων υπεράκτιων (offshore) αιολικών πάρκων με το δίκτυο, καθιστώντας δυνατή τη δημιουργία στο μέλλον ενός MTDC δικτύου στη Βόρεια Θάλασσα, με στόχο την εκμετάλλευση του πλούσιου αιολικού δυναμικού της περιοχής [12]. Στο απώτερο μέλλον, υπάρχει η ιδέα για τη δημιουργία με τη χρήση της τεχνολογίας VSC-MTDC ενός πανευρωπαϊκού υπερ-δικτύου (European supergrid), που θα συνδέει με το ηπειρωτικό AC δίκτυο αλλά και μεταξύ τους διάφορα αιολικά και ηλιακά πάρκα κατά μήκος της Ευρώπης [13]. Το εγχείρημα αυτό θα αποτελούσε ένα μεγάλο άλμα για την ενσωμάτωση σε μεγάλη κλίμακα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και την ταυτόχρονη κάλυψη των ενεργιακών αναγκών της Ευρώπης με ποικίλα οικονομικά και περιβαλλοντολογικά οφέλη, ωστόσο προς το παρόν φαντάζει ακόμη αρκετά μακρινό. Τα κυριότερα εμπόδια οφείλονται σε διάφορους τεχνικοοικονομικούς λόγους, όπως για παράδειγμα στην απουσία διακοπτών συνεχούς ρεύματος (dc circuit breakers, DCCBs) με χαμηλό κόστος που μπορούν έγκαιρα και με αξιοπιστία να απομονώσουν το σφάλμα από το υπόλοιπο MTDC δίκτυο. Η θεμελιώδης διαφορά με τους ac διακόπτες είναι ότι στο dc δεν υπάρχει φυσικός μηδενισμός του ρεύματος σφάλματος. Έχουν γίνει βήματα προόδου, όμως μένει να δοκιμαστούν και σε πραγματικές συνθήκες [13-15]. Θα υπάρχει επίσης η ανάγκη 21

22 για τη δημιουργία νέων προτύπων και κανονισμών, δεδομένου ότι πρόκειται για μια αρκετά νέα και άγνωστη τεχνολογία. Επίσης, η αλληλεπίδραση μεταξύ του υπάρχοντος ac δικτύου και του υπερ-δικτύου είναι κάτι που πρέπει να μελετηθεί και να διερευνηθεί διεξοδικά, όχι μόνο για λόγους λειτουργίας αλλά και ασφάλειας. Επιπλέον, θα πρέπει να δεσμευτεί ένας μεγάλος αριθμός πόρων για την κατασκευή του. Τέλος, θα πρεέπει να απαντηθεί το ερώτημα για το ποια αρχή θα είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία, συντήρηση και επισκευή του. Σχήμα 1.7 Πιθανή διαμόρφωση του Ευρωπαϊκού Υπερδικτύου Σχήμα 1.8 Ο υβριδικός dc διακόπτης της ABB. 22

23 2. Υπεραγώγιμα Καλώδια Υπεραγωγιμότητα ονομάζεται η κατάσταση κατά την οποία συγκεκριμένα υλικά (μεταλλικά στοιχεία, κράματα, κεραμικά κ.α) παρουσιάζουν μηδενική dc ηλεκτρική ειδική αντίσταση κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία ΤC, συγκεκριμένη για κάθε υλικό. Τα αντίστοιχα υλικά ονομάζονται υπεραγωγοί. Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε στις 8 Απριλίου το 1911 από τον φυσικό Heike Kamerlingh Onnes. Τα υπεραγώγιμα υλικά επιτρέπουν τη μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων χωρίς αντίσταση και συνεπώς χωρίς θερμικές απώλειες σε σχέση με υλικά συμβατικών αγωγών (χαλκός, αλουμίνιο) [16]. Αν τα πλεονεκτήματα των υπεραγωγών συνδυαστούν με τα πλεονεκτήματα της μεταφοράς υπό συνεχές ρεύμα (καλύτερος έλεγχος της μεταφερόμενης ισχύος, μικρότερες ωμικές απώλειες κατά την όδευση), τότε διαμορφώνεται ένα σύστημα με ελάχιστες ωμικές απώλειες κατά μήκος της όδευσης, κατάλληλο για μεγάλες αποστάσεις και για μεταφορά μεγάλης ποσότητας ισχύος, όπως συμβαίνει στα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Η βασική αρχή λειτουργίας των υπεραγώγιμων καλωδίων συνίσταται στην ψύξη των αγώγιμων κραμάτων που αποτελούν τους πόλους του καλωδίου μέχρι μια κρίσιμη θερμοκρασία κάτω από την οποία η ειδική αντίστασή τους πρακτικά μηδενίζεται. Τα πρώτα υπεραγώγιμα υλικά λειτουργούσαν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, ωστόσο το 1986 ανακαλύφθηκαν υλικά από οξείδια του χαλκού που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, γύρω στους 92 βαθμούς Κέλβιν. Η μέγιστη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας που έχει εντοπιστεί είναι 190 Κ και αφορά το υδρόθειο υπό υψηλή πίεση. Στους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας HTS (High Temperature Superconductors) η θερμοκρασία διατηρείται μικρότερη ή ίση της κρίσιμης μέσω κυκλώματος ψυκτικού ρευστού. Στις σημερινές εφαρμογές χρησιμοποιείται κυρίως υγρό άζωτο, το οποίο αναλόγως της γεωμετρίας της κατασκευής ρέει γύρω ή στο εσωτερικό των αγωγών και απάγει τη θερμότητα που τείνει να θερμάνει το καλώδιο λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας με το έδαφος. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η γενική σχεδίαση ενός υπεραγώγιμου dc καλωδίου. Η σχεδίαση βασίζεται στη χρήση ενός εξωτερικού σωλήνα από ατσάλι που περιέχει όλα τα επιμέρους λειτουργικά μέρη του καλωδίου και ο οποίος είναι θερμικά μονωμένος από αυτά με τη βοήθεια πολλών στρώσεων μονωτικού υλικόυ και ενός κενού. Οι διαστάσεις είναι προσεγγιστικές. 23

24 Σχήμα 2.1 Σχεδίαση υπεραγώγιμου HVDC καλωδίου Η υπεραγωγιμότητα εξαρτάται όχι μόνο από την κρίσιμη θερμοκρασία αλλά και από μια κρίσιμη ρευματική πυκνότητα και ένα κρίσιμο μαγνητικό πεδίο, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Αν έστω μία από τις τρεις παραμέτρους υπερβεί το όριό της, τότε ο αγωγός μεταπίπτει ταχύτατα στην συμβατική του κατάσταση, από την οποία χρειάζεται πολύ χρόνο για να γίνει πάλι υπεραγώγιμος. Είναι σημαντικό, επομένως, να ληφθούν μέτρα ώστε να μην υπερβεί η ρευματική πυκνότητα του αγωγού την κρίσιμη τιμή της ούτε κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων. Σχήμα 2.2 Διάγραμμα της υπεραγωγιμότητας. Βασικό πρόβλημα που δημιουργείται εξαιτίας της μηδενικής αντίστασης κατά την υπεραγώγιμη κατάσταση είναι η έλλειψη απόσβεσης. Τυχόν διακοπτικοί χειρισμοί, σφάλματα ή αλλαγές στη ροή ισχύος δημιουργούν επίμονες διαταραχές στην τάση και στο ρεύμα του καλωδίου, οι οποίες δεν αποσβένονται σε ικανοποιητικό χρόνο. Αυτό θα μπορούσε να δημιουργήσει μακροπρόθεσμο πρόβλημα σε ένα υπεραγώγιμο καλώδιο, ακόμα κι αν η διαταραχή είναι σύντομη ή έχει παρέλθει η αιτία της. 24

25 3. Στρατηγικές ελέγχου πολυτερματικών δικτύων Σε ένα πολυτερματικό δίκτυο υπό κανονικές συνθήκες η dc τάση πρέπει να διατηρείται σε μια καθορισμένη τιμή, που είναι συνήθως η ονομαστική, μέσα σε ένα περιορισμένο εύρος. Μία μεγαλύτερη απόκλιση θα οδηγήσει σε διακοπή της κανονικής λειτουργίας, ενεργοποίηση των μέσων προστασίας ή ακόμη και σε ενδεχόμενη κατάρρευση του δικτύου. Μία σταθερή τιμή της dc τάσης με ελάχιστη κυμάτωση υποδεικνύει ότι ο στόχος της εξισορρόπησης της ισχύος μεταξύ των τερματικών του δικτύου έχει επιτευχθεί [17]. Οποιαδήποτε ανισορροπία στο ισοζύγιο ισχύος θα προκαλούσε την ταχύτατη φόρτιση ή εκφόρτιση των dc πυκνωτών των γραμμών και επομένως την απότομη αύξηση ή πτώση της dc τάσης. Χαρακτηριστικό στοιχείο ενός dc συστήματος είναι ότι η ροή ισχύος στις γραμμές μεταξύ των τερματικών του (μετατροπείς) οφείλεται στις διαφορετικές τιμές που λαμβάνει η dc τάση στα διάφορα σημεία του, λόγω και των πτώσεων τάσεων των γραμμών. Θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι όπως σε ένα ac δίκτυο το ισοζύγιο ενεργού ισχύος αντικατοπτρίζεται στις μεταβολές της συχνότητας, έτσι και σε ένα dc δίκτυο οποιαδήποτε ανισορροπία στο ισοζύγιο ισχύος έχει άμεσο αντίκτυπο στην dc τάση [18]. Η διαφορά βέβαια είναι ότι ενώ η συχνότητα είναι ίδια σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου, η dc τάση είναι διαφορετική στα διάφορα σημεία λόγω των πτώσεων τάσεων. Ο έλεγχος κάθε σταθμού έχει δύο βαθμούς ελευθερίας, δηλαδή κάθε σταθμός είναι ικανός για έλεγχο δύο μεγεθών, τα οποία καθορίζονται από τον χαρακτήρα των διασυνδεόμενων δικτύων. Τα ζεύγη μεγεθών που επιλέγονται είναι τα εξής : DC Τάση και Άεργος Ισχύς ( Έλεγχος VDC Q ) Ενεργός και Άεργος Ισχύς ( Έλεγχος Ρ Q ) AC Τάση και Συχνότητα ( Έλεγχος VAC f ) Μια απλουστευμένη αναπαράσταση για τα διασυνδεόμενα ac δίκτυα είναι το ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin, δηλαδή μια ισοδύναμη πηγή τάσης σε σειρά με μια σύνθετη αντίσταση. Εάν η σύνθετη αντίσταση είναι υψηλή τότε η πτώση τάσης κατά μήκος της θα είναι υπολογίσιμη και συνεπώς η τάση του δικτύου θα διαφέρει σημαντικά από την τάση της πηγής. Ένα τέτοιο δίκτυο καλείται αδύναμο. Αντιθέτως, εάν η αντίσταση είναι μικρή τότε η τάση του δικτύου σχεδόν ισούται με τη (σταθερή) τάση της πηγής, οπότε το δίκτυο θεωρείται ισχυρό. 25

26 Σε μια συμβατική HVDC γραμμή δύο τερματικών που συνδέει δυο στιβαρά δίκτυα (άπειροι ζυγοί), η λογική που ακολουθείται στις περισσότερες εφαρμογές είναι ο ένας σταθμός να ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ, ενώ ο άλλος να ελέγχει την dc τάση και την άεργο. Σε διαφορετικές εφαρμογές (πχ, διασύνδεση αδύναμων ή παθητικών δικτύων) επιλέγονται ως μεγέθη εισόδου η ac τάση και η συχνότητα, έτσι ώστε ο μετατροπέας να διατηρεί στην ονομαστική τιμή την ac τάση και συχνότητα και να λειτουργεί ως grid-forming εγχέοντας το σύνολο της παραγόμενης ισχύος στο δίκτυο [19]. Σε κάθε περίπτωση η dc τάση πρέπει να ελέγχεται τουλάχιστον από ένα μετατροπέα. Σε ένα MTDC δίκτυο αυτό μπορεί να γίνει επεκτείνοντας τη λογική της point-to-point διασύνδεσης και εφαρμόζοντας τον έλεγχο master slave [20]. Έτσι, ένας μετατροπέας είναι επιφορτισμένος με τον έλεγχο της dc τάσης του δικτύου και παίζει τον ρόλο του ζυγού αναφοράς για το dc δίκτυο (master, slack converter), ενώ οι υπόλοιποι μετατροπείς (slave) είναι σε έλεγχο Ρ Q ή VAC f αναλόγως με το αν συνδέονται αντίστοιχα σε ισχυρά ή αδύναμα ac δίκτυα. Το μεγάλο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι αν ο μετατροπέας που ελέγχει την dc τάση φτάσει στα όρια ισχύος του ή πάθει κάποια βλάβη, χάνεται η δυνατότητα ελέγχου της τάσης και η αξιόπιστη λειτουργία του συστήματος τίθεται σε κίνδυνο. Η εξάρτηση αυτή από τον master μετατροπέα περιορίζει τη χρήση της στρατηγικής σε δίκτυα μικρής ισχύος. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται τα διαγράμματα Ρ - VDC ενός μετατροπέα master και ενός μετατροπέα slave. O πρώτος λειτουργεί σε constant voltage mode όσο βρίσκεται εντός των ορίων του ενώ ο δεύτερος λειτουργεί σε constant power mode. Σχήμα 3.1 Χαρακτηριστική P-V του μετατροπέα master. 26

27 Σχήμα 3.2 Χαρακτηριστική P-V του μετατροπέα slave. Για να μπορέσει να ρυθμίσει τη ροή της ισχύος στο δίκτυο και να κρατήσει την τιμή της dc τάσης στο επιθυμητό επίπεδο αναφοράς, ο ελεγκτής τάσης (voltage controller) καθορίζει το ρεύμα αναφοράς στον d άξονα, idref, που είναι το σήμα εισόδου στον εσωτερικό βρόχο ελέγχου. Η διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη dc τάση και στην dc τάση αναφοράς διέρχεται μέσα από έναν PI ελεγκτή για να αποκτηθεί η επιθυμητή τιμή του idref. Ο ελεγκτής της ενεργού ισχύος (active power controller) λειτουργεί με βάση την αντίστοιχη αρχή, όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 3.3 Μπλοκ διαγράμματα για την υλοποίηση του ελέγχου της dc τάσης και της ενεργόυ ισχύος. Μια παραλλαγή αυτής της μεθόδου αναφέρεται ως voltage margin method και διαφέρει στο ότι όταν η dc τάση σε έναν μετατροπέα που αρχικά λειτουργεί με σταθερή ισχύ αναφοράς, υπερβεί ένα προκαθορισμένο όριο τάσης, τότε ο αντίστοιχος μετατροπέας θα αναλάβει πλέον τον έλεγχο της τάσης (άρα θα μετατραπεί σε DC slack bus) [21]. Και πάλι, ο έλεγχος της dc τάσης δεν γίνεται κατανεμημένα αλλά από έναν κάθε φορά μετατροπέα, ενώ οι υπόλοιποι λειτουργούν σε constant power mode. H μέθοδος αυτή παρουσιάζει αρκετά 27

28 πλεονεκτήματα σε σχέση με την προηγούμενη, μπορεί όμως να παρουσιάσει κακή μεταβατική συμπεριφορά. Παρακάτω φαίνονται τα διαγράμματα Ρ - VDC για δύο μετατροπείς που λειτουργούν σε αυτή τη μέθοδο, όπου ο δεύτερος λειτουργεί σε constant voltage mode ενώ ο πρώτος σε constant power mode. Σχήμα 3.4 Χαρακτηριστική P-V για τον έλεγχο voltage margin. Γίνεται λοιπόν κατανοητό ότι σε ένα πολυτερματικό δίκτυο ο έλεγχος της dc τάσης πρέπει να κατανεμηθεί σε περισσότερους από έναν μετατροπέα. Η πιο διαδεδομένη τεχνική για να επιτευχθεί αυτός ο κατανεμημένος έλεγχος είναι ο στατισμός (droop control), που επιτρέπει σε όλους τους μετατροπείς να συμμετάσχουν στη ρύθμιση του ισοζυγίου της ενεργούς ισχύος με βάση τις αποκλίσεις της dc τάσης [22]. Ο στατισμός χρησιμοποιείται ήδη στους ρυθμιστές στροφών των σύγχρονων γεννητριών (οι οποίοι ελέγχουν τη μηχανική ισχύ που παράγεται από τις κινητήριες μηχανές). Εκεί, στατισμός καλείται η αρνητική κλίση της χαρακτηριστικής φορτίου - συχνότητας και μέσω αυτού καθορίζεται ο ρόλος που παίζει η κάθε μονάδα στη ρύθμιση συχνότητας αλλά και ο τρόπος με τον οποίο παράλληλα διασυνδεδεμένες μονάδες μοιράζονται το φορτίο τους. Εάν μια μονάδα έχει μικρό στατισμό (άρα μικρή κλίση) τότε για σχετικά μικρή μεταβολή συχνότητας μεταβάλλει σημαντικά το φορτίο της. Μια τέτοια μονάδα καλείται ρυθμίζουσα γιατί συμβάλλει καθοριστικά με τη μεταβολή της παραγωγής της στη ρύθμιση της συχνότητας. Αν αντίθετα μια μονάδα έχει 28

29 μεγάλο στατισμό τότε μεταβάλλει ελάχιστα το φορτίο της όταν αλλάζει η συχνότητα και λέγεται μονάδα βάσης. Στην περίπτωση του ελέγχου ενός πολυτερματικού συστήματος HVDC, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια παρόμοια λογική για τη συσχέτιση της ισχύος (ή ισοδύναμα του DC ρεύματος) που απορροφά από το MTDC δίκτυο ένας μετατροπέας με τη DC τάση στον κόμβο του μετατροπέα. Το ισοδύναμο της συχνότητας στο DC σύστημα είναι το επίπεδο της DC τάσης. Ο μηχανισμός μπορεί να εξηγηθεί ως εξής : εάν η τάση στον κόμβο αυξάνεται, αυτό σημαίνει ότι υπάρχει περίσσεια ενεργού ισχύος στο δίκτυο, οπότε ο μετατροπέας πρέπει να αυξήσει την αναφορά ενεργού ισχύος του (ώστε να εγχέει περισσότερη ισχύ στην AC πλευρά). Κάτι τέτοιο επιτυγχάνεται μέσω γραμμικής συσχέτισης της ενεργού ισχύος αναφοράς με την DC τάση του κόμβου. Αντίστοιχα, εάν η ροή ισχύος στο δίκτυο μειωθεί, κάτι που αντικατοπτρίζεται στην DC τάση οδηγώντας σε μειωμένα επίπεδα τάσης, ο μετατροπέας θα μειώσει την αναφορά ενεργού ισχύος του. Δεδομένου ότι τάση και ισχύς μεταβάλλονται ευθέως ανάλογα, ο στατισμός θεωρείται ότι έχει θετική σταθερά. Όπου : 1 p u (3.1) k k Δp Δu είναι το κέρδος στατισμού σε [V/W] ή [pu/pu] είναι η απόκλιση της ενεργού ισχύος σε [W] ή [pu] είναι η απόκλιση της DC τάσης σε [V] ή [pu] Ας σημειωθεί ότι το κέρδος k είναι αντιστρόφως ανάλογο της κλίσης της χαρακτηριστικής, συνεπώς μεγάλο κέρδος συνεπάγεται μικρή κλίση και μικρό στατισμό. Το μέρος της ενεργού ισχύος που εγχέεται σε κάθε μετροπέα καθορίζεται από το κέρδος στατισμού σε σχέση με τα κέρδη στατισμού των άλλων μετατροπέων. Αν δηλαδή το κέρδος στατισμού του 1ου σταθμού είναι διπλάσιο από αυτό του 2ου, τότε το μέρος της ενεργού ισχύος που εγχέεται στον 1ο σταθμό πρέπει να είναι το μισό του 2ου. Το ζήτημα της επιλογής των κερδών στατισμού για τους μετατροπείς που συμμετέχουν στον κατανεμημένο έλεγχο της DC τάσης αποτελεί ανοικτό πεδίο έρευνας και επικεντρώνεται στον προσδιορισμό των τιμών που επιτυγχάνουν 29

30 τον επιθυμητό έλεγχο και διαμοιρασμό της ισχύος διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την ευστάθεια του συστήματος. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας τα κέρδη επιλέγονται βάση πειραματικής διαδικασίας σε ένα εύρος τιμών, ανάλογα με την περίπτωση που εξετάζεται. Οι χαρακτηριστικές τάσης ρεύματος (V-I) και τάσης ισχύος (V-P) είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για έλεγχο στατισμού σε MTDC δίκτυα. Στα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζονται αυτές οι χαρακτηριστικές : Σχήμα 3.5 Χαρακτηριστικές τάσης ρεύματος (V-I) και τάσης ισχύος (V-P). Παρατηρούμε ότι οι χαρακτηριστικές μοιάζουν αρκετά μεταξύ τους, δεδομένου ότι η DC τάση ελέγχεται έτσι ώστε να παραμένει κοντά στην ονομαστική της τιμή. Η κλίση της V-I είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή της αντίστοιχης V-P όταν η τάση είναι μεγαλύτερη από 1 pu ενώ είναι μικρότερη όταν η Vdc είναι μικρότερη από την ονομαστική της τιμή. Η δυναμική συμπεριφορά των 2 αυτών χαρακτηριστικών ενδέχεται να διαφέρει. Κάθε σταθμός μετατροπέα με DC voltage droop control προσαρμόζει γραμμικά τη ροή ισχύος του συναρτήσει του επιπέδου της DC τάσης του έτσι ώστε να 30

31 διατηρήται το ισοζύγιο ισχύος στο δίκτυο. Ο voltage droop controller που παρουσιάζεται παρακάτω επιτρέπει στο μετροπέα πηγής τάσης να ακολουθεί τη χαρακτηριστική P - V droop. Η απόκλιση ισχύος προέρχεται από την απόκλιση της DC τάσης. Αυτό γίνεται πολλαπλασιάζοντας το αντίστροφο της voltage droop παραμέτρου k με τη διαφορά ανάμεσα στη μετρούμενη DC τάση και στη DC τάση αναφοράς. Η τελική ισχύς αναφοράς είναι το άθροισμα της αρχικής ισχύος αναφοράς και της απόκλισης ισχύος. Αυτή η ποσότητα αφαιρείται από τη μετρούμενη ισχύ και στη συνέχεια διέρχεται από έναν PI ελεγκτή, για να προκύψει στο τέλος η αναφορά του ρεύματος κατά τον άξονα d. Η όλη διαδικασία παρουσιάζεται παρακάτω με τη μορφή μπλοκ διαγράμματος. Σχήμα 3.6 Μπλοκ διάγραμμα για την υλοποίηση του στατισμόυ (droop). 31

32 4. Μοντέλα προσομοίωσης Για την προσομοίωση των πολυτερματικών δικτύων συνεχούς ρεύματος (MTDC) επιλέξαμε να δημιουργήσουμε δύο δίκτυα. Το 1 ο δίκτυο περιλαμβάνει 3 τερματικούς σταθμούς μετατροπής και είναι σε ακτινική τοπολογία, ενώ το 2 ο περιλαμβάνει 4 σταθμούς μετατροπής και είναι σε τοπολογία απλού βρόχου. Τα HVDC καλώδια που συνδέουν τους σταθμούς μεταξύ τους υλοποιήθηκαν και στα δύο δίκτυα τόσο με συμβατικά DC καλώδια όσο και με υπεραγώγιμα καλώδια υψηλής θερμοκρασίας (HTS). Για την προσομοίωση των καλωδίων χρησιμοποιήθηκε είτε το μοντέλο του π-ισοδύναμου είτε το μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων (μοντέλο Bergeron) σε όλες τις περιπτώσεις. Τα δίκτυα προσομοιώθηκαν αρχικά στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συνέχεια σε αλλαγές της ροής ισχύος και σε περιπτώσεις σφαλμάτων (βραχυκυκλώματα), έτσι ώστε να εξεταστεί η λειτουργία και η απόκρισή τους τόσο στην κανονική κατάσταση όσο και σε περιπτώσεις μεταβατικών φαινομένων. Tα μοντέλα προσομοιώθηκαν με τη βοήθεια του πακέτου Simulink στο MATLAB, καθώς και με τη βοήθεια των βιβλιοθηκών SimPowerSystems και Simscape. Η βάση ισχύος μας ορίζεται στα 500 MVA. Οι αρχικές καταστάσεις αναφοράς ορίστηκαν ως εξής : Για το 1 ο δίκτυο έχουμε : Από το σταθμό 1 στο σταθμό 2 μεταφορά 250 MW ενεργού ισχύος (0.5 pu) και 100 MVAr αέργου (0.2 pu). Από το σταθμό 1 στο σταθμό 3 μεταφορά 150 MW ενεργού ισχύος (0.3 pu) και 200 MVAr αέργου (0.4 pu). Για το 2 ο δίκτυο έχουμε : Ο σταθμός 1 δίνει στο δίκτυο 400 MW ενεργού ισχύος (0.8 pu) και 300 MVAr αέργου (0.6 pu). Ο σταθμός 2 απορροφά από το δίκτυο 350 MW ενεργού ισχύος (0.7 pu) και 150 MVAr αέργου (0.3 pu). Ο σταθμός 3 δίνει στο δίκτυο 200 MW ενεργού ισχύος (0.4 pu) και 100 MVAr αέργου (0.2 pu). Ο σταθμός 4 απορροφά από το δίκτυο 250 MW ενεργού ισχύος (0.5 pu) και 250 MVAr αέργου (0.5 pu). 32

33 Τα διασυνδεόμενα ac δίκτυα είναι υπό τάση 400 kv, τα οποία στους μετασχηματιστές υποβιβάζονται σε 60 kv, κι έπειτα στις γέφυρες μετατροπής σε 100 kv dc. Οι κυριότεροι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιλογή του μεγέθους της DC τάσης των μετατροπέων VSC-HVDC είναι οι εξής : 1) Το εύρος λειτουργίας του μετατροπέα 2) Η μεταφερόμενη ισχύς και το αντίστοιχο DC ρεύμα 3) Η τοπολογία και η τεχνολογία κατασκευής του μετατροπέα 4) Οι απώλειες και το κόστος του μετροπέα και των καλωδίων Η επιλογή του κατάλληλου επιπέδου της HVDC τάσης είναι μια συνεχής διαδικασια βελτιστοποίησης. Σε ένα τριφασικό μετατροπέα η ac τάση που τον τροφοδοτεί σχετίζεται με την dc τάση με την εξής σχέση : Όπου: V 3 m V (4.1) 2 2 ac a dc V ac η rms πολική τάση, V η dc τάση πόλου-πόλου, dc m ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους. a Σημειώνεται ότι ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους επιλέγεται V ac = 150 kv να προκύπτει Ο λόγος είναι πως με τιμή του m a = 1, ώστε με V dc = 100 kv, δηλαδή ονομαστική τάση λειτουργίας. m a μεγαλύτερη από 1, ο μετατροπέας θα μετάβαινε από τη γραμμική περιοχή στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης, με αποτεέλσμα το πλάτος της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας να μην αυξάνεται ανάλογα με την τιμή του m. a Ακολουθεί η παρουσίαση των δύο μοντέλων με τις μονάδες ελέγχου και μετρήσεών τους καθώς και συνοπτική παρουσίαση των επιμέρους στοιχείων τους. Η ονομασία των μοντέλων στηρίζεται σε 3 στοιχεία : την προσομοίωση με π-ισοδύναμο ή διανεμημένες παραμέτρους (pi ή dis), τον αριθμό των τερματικών (3 ή 4) και την υλοποίηση της γραμμής μεταφοράς με συμβατικό ή υπεραγώγιμο καλωδιο (conv ή HTS). Έτσι ένα μοντέλο μπορεί να ονομάζεται π.χ dis_4_hts. 33

34 Σχήμα 4.1 Το μοντέλο των 3 τερματικών με ακτινική τοπολγία. 34 Σχήμα 4.2 Το μοντέλο των 4 τερματικών με τοπολογία βρόχου.

35 4.1 AC διασυνδεόμενο δίκτυο Σχήμα 4.3 Το μοντέλο του δικτύου στο Simulink. Τα AC δίκτυα εναλλασσόμενης τάσης που βρίσκονται εκατέρωθεν των DC διασυνδετικών γραμμών διαστασιολογούνται σύμφωνα με τις προδιαγραφές του ελληνικού δικτύου μεταφοράς με υπερυψηλή τάση στα 400 kv. Επομένως, κάθε δίκτυο προσομοιώνεται με μια πηγή τάσης 400 kv εν σειρά με μια σύνθετη αντίδραση, με λόγο X/R=9.67, ώστε το δίκτυο να θεωρείται στιβαρό. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης του δικτύου σε τάση 420 kv (1.05 pu) είναι 40 ka. Θέτοντας ως μεγέθη βάσης στο pu σύστημα την ονομαστική τάση και την ονομαστική ισχύ η οποία για το εξεταζόμενο σύστημα ορίστηκε στα 500 MVA, ο υπολογισμός της αντίδρασης του δικτύου προκύπτει ως εξής: 2 2 Vb 400 b 320 Ω (4.1) S 500 b Vs 420 grid Ω = pu (4.2) 3I 3 40 s 35

36 2 2 = = (4.3) grid R X 9.67 (4.4) R Συνδυάζοντας τις σχέσεις 4.3 και 4.4, υπολογίζουμε την αντίσταση και την αντίδραση δικτύου και έχουμε : R Ω = pu (4.5) grid X 6.03 Ω = pu (4.6) grid 4.2 Μετασχηματιστής Σχήμα 4.4 Το μοντέλο του μετασχηματιστή στο Simulink. 36

37 Ο μετασχηματιστής, χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει την τάση από το επίπεδο του δικτύου (400 kv) στο επίπεδο της γέφυρας μετατροπής, το οποίο έχει επιλεγεί ίσο με 60 kv. Η ισχύς διέλευσης του μετασχηματιστή είναι ίση με τη μεταφερόμενη ισχύ. Η συνδεσμολογία των μετασχηματιστών είναι Yd1, ώστε τυχόν ομοπολική συνιστώσα ρεύματος στον αστέρα να μη μετασχηματίζεται σε τάση στο δευτερεύον. Η αντίδραση και η αντίσταση του κλάδου μαγνήτισης επιλέγονται 500 pu ώστε να θεωρείται πρακτικά ανοιχτό κύκλωμα. 4.3 AC φίλτρα Σχήμα 4.5 Το μοντέλο των AC φίλτρων στο Simulink και το εσωτερικό του. Τα AC φίλτρα χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα της τάσης από τις διακοπτικές αρμονικές στο AC δίκτυο και για αντιστάθμιση στη θεμελιώδη αρμονική. Η διακοπτική συχνότητα στη διάταξη μας ορίστηκε στα 4050 Hz. Η τιμή της είναι αρκετά μεγάλη, γεγονός που οδηγεί σε αρμονικές υψηλότερων συχνοτήτων, οι οποίες φιλτράρονται αρκετά πιο εύκολα από τις αρμονικές με χαμηλή συχνότητα. Ωστόσο, οι απώλειες μετάβασης των διακοπτών αυξάνεται ανάλογα με τη συχνότητα μετάβασης. Σε κάθε περίπτωση, η τιμή της είναι μικρότερη των 6 khz, με αποτέλεσμα να βρίσκεται έξω από την περιοχή ακουστικών συχνοτήτων. 37

38 Φιλτράρονται μόνο οι σημαντικότερες αρμονικές συνιστώσες, δηλαδή στην περίπτωσή μας γύρω από την 81η και την 5η αρμονική (4050 και 250 Hz), καθώς η 162 η αρμονική έχει αμελητέα επίδραση στο σύστημά μας. Χρησιμοποιούνται υψιπερατά φίλτρα παράλληλα με το δίκτυο, ώστε να μη φέρουν όλο το ρεύμα, αλλά μόνο τις υψίσυχνες συνιστώσες του. Εφόσον τα φίλτρα παρέχουν άεργο ισχύ και στη θεμελιώδη αρμονική, προστίθεται ένα μπλοκ διόρθωσης της αέργου ισχύος αναφοράς στον έλεγχο κάθε υποσταθμού. 4.4 Αυτεπαγωγή γραμμής Η αυτεπαγωγή γραμμής (phase reactor) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ενεργού και της αέργου ισχύος μέσω του ελέγχου του ρεύματος που τη διαρρέει. Η αυτεπαγωγή λειτουργεί σε συνδυασμό με τους μετασχηματιστές ως εν σειρά χαμηλοπερατό φίλτρο, φιλτράροντας το ρεύμα των ac δικτύων. Οι αυτεπαγωγές επιλέγονται με τιμή 0.15 pu (ή mh στα 50 Hz). Η συνολική αντίδραση γραμμής σε σειρά με την διαμήκη αντίδραση των μετασχηματιστών ανέρχεται στα 0.3 pu. Σε σειρά με την αυτεπαγωγή διαστασιολογείται μια αντίσταση pu, η οποία προσομοιώνει τις συνολικές απώλειες του ac μέρους. 4.5 Γέφυρα μετατροπής Σχήμα 4.6 Το μοντέλο της γέφυρας μετατροπής στο Simulink και οι παράμετροί του. 38

39 Τα συστήματά μας χρησιμοποιούν μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage Source Converters), οι οποίοι υλοποιούνται με δυο εξαπαλμικές γέφυρες με διακόπτες IGBT, εκ των οποίων μία λειτουργεί ως ανορθωτής και η άλλη ως αντιστροφέας. Παράλληλα σε κάθε διακόπτη υπάρχει συνδεδεμένη μια αντιπαράλληλη δίοδος, η οποία επιτρέπει στη γέφυρα να λειτουργεί και στα τέσσερα τεταρτημόρια, επιτρέποντας αντιστροφή της ροής ισχύος. Η παλμοδότηση των διακοπτών γίνεται με διαμόρφωση εύρους παλμών PWM (pulse width modulation), με συχνότητα φέροντος σήματος 4050 Hz (81η αρμονική), ώστε ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f s f να είναι περιττός ακέραιος και f1 πολλαπλάσιος του 3. Αυτό οδηγεί στο να υπάρχει περιττή συμμετρία μισού κύματος, καθώς επίσης και να απαλείφονται οι κυριότερες αρμονικές από την πολική τάση. 4.6 DC μέρος Το dc σκέλος απαρτίζεται από τα πηνία εξομάλυνσης, τους πυκνωτές στήριξης, τα φίλτρα τρίτης αρμονικής, και το μοντέλο με το οποίο προσομοιώνεται το καλώδιο. Το μοντέλο του καλωδίου υλοποιείται με τέσσερις διαφορετικούς τρόπους ; 1. Συμβατικό με π-ισοδύναμο 2. Συμβατικό με διανεμημένους παραμέτρους 3. Υπεραγώγιμο με π-ισοδύναμο 4. Υπεραγώγιμο με διανεμημένους παραμέτρους 39 Σχήμα 4.7 Το γενικό μοντέλο του dc μέρους στο Simulink.

40 4.6.1 Πηνίο εξομάλυνσης Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης συνήθως περιλαμβάνονται σε κάθε πόλο του σταθμού μετατροπής και συνδέονται σε σειρά στην έξοδο των μετατροπέων. Προκαλούν εξομάλυνση του dc ρεύματος, με σκοπό την αποφυγή ασυνέχειας του ρεύματος σε χαμηλά επίπεδα μεταφοράς ισχύος. Μαζί με τον πυκνωτή στήριξης δημιουργούν ένα κύκλωμα LC, του οποίου η συχνότητα συντονισμού εμφανίζεται στα ισχυρά μεταβατικά φαινόμενα. Επίσης, οδηγούν σε μείωση της συχνότητας εμφάνισης σφαλμάτων μεταγωγής. Τέλος, αποτελούν επιπρόσθετα τμήματα των dc φίλτρων που χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση των αρμονικών και την μείωση των παρεμβολών σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας. Η τιμή της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης επιλέχθηκε ίση με 20 mh. Σε σειρά με το πηνίο εξομάλυνσης τοποθετείται αντίσταση η οποία προσομοιώνει την αντίσταση των τυλιγμάτων του και τυχόν άλλες απώλειες, με τιμή 25 mω Πυκνωτής στήριξης Εξαιτίας των αρμονικών που προκαλούνται από τις PWM λειτουργίες των διακοπτικών στοιχείων στους VSC μετατροπείς, το ρεύμα που ρέει στην dc πλευρά του μετατροπέα περιέχει και αυτό αρμόνικες που οδηγούν σε κυματισμούς της συνεχούς τάσης. Το πλάτος των κυματισμών εξαρτάται από τον πυκνωτή της dc πλευράς και την συχνότητα των διακοπτικών λειτουργιών. Οι πυκνωτές στήριξης τοποθετούνται ανάμεσα στους πόλους και τη γη για τη στήριξη της dc τάσης και τη μείωση της κυμάτωσης της. Επιπλέον, κατά την διάρκεια απότομων μεταβολών στο δίκτυο όπως είναι βραχυκυκλώματα ή διακοπτικές ενέργειες, μπορούν να συμβούν μεγάλες ταλαντώσεις ισχύος ανάμεσα στην ac και την dc πλευρά του μετατροπέα, που οδηγούν με την σειρά τους σε ταλαντώσεις και υπερτάσεις της τάσης στην dc πλευρά. Ο περιορισμός της παροδικής μεταβολής της τάσης είναι σημαντικός παράγοντας για την επιλογή του dc πυκνωτή. Η σταθερά χρόνου του πυκνωτή εκφράζει το χρόνο στον οποίον φορτίζει ο πυκνωτής υπό ονομαστική τάση όταν παρέχεται σε αυτόν ονομαστική ισχύς. Η σχέση που συνδέει τη χωρητικότητα και τη σταθερά χρόνου είναι η εξής : 40

41 2 CV dc dc, n (4.7) 2P όπου Vdc,n και Pn είναι οι ανά πόλο τάσεις και ισχείς στο dc, αντίστοιχα.για το συγκεκριμένο μοντέλο έχουμε : n Cdc 2 5Cdc (4.8) Επιλέγουμε η τιμή του πυκνωτής να είναι 250 μf, επομένως η σταθερά χρόνου προκύπτει ίση με περίπου 1.25 msec Φίλτρο 3 ης αρμονικής Το φίλτρο της 3 ης αρμονικής αποτελεί απαραίτητη διάταξη για κάθε διασυνδετική γραμμή DC, διότι έχει αποδειχτεί ότι οι μετατροπείς δημιουργούν σχετικά μεγάλη αρμονική 3 ης τάξης της τάσης στο θετικό και τον αρνητικό πόλο, ωστόσο όχι στη συνολική dc τάση [23]. Οι διαστάσεις του φίλτρου είναι: C = 12 μf, L = mh, R = mω. Με βάση αυτά τα δεδομένα η συχνότητα είναι : f Hz LC (4.9) Μοντέλο καλωδίου Το καλώδιο θεωρείται ότι τοποθετείται σε βάθος 1 m, ενώ η ειδική αντίσταση εδάφους επιλέγεται στην τυπική τιμή των 100 Ωm. Το μήκος του καλωδίου θεωρείται ίσο με l = 10 km. Τα δύο μοντέλα των γραμμών μεταφοράς που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωσή τους στο πεδίο του χρόνου είναι τα εξής 1. Μοντέλο των π-ισοδύναμων κυκλωμάτων 2. Μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων (μοντέλο Bergeron) 41

42 Για το μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων, ένα μέγεθος αρκετά σημαντικό που θα παίξει σημαντικό ρόλο στην ανάλυση των μεταβατικών φαινομένων είναι η κυρίαρχη μεταβατική συχνότητα. Είναι ο ταχύτερος ρυθμός του καλωδίου και παρουσιάζει τη μικρότερη απόσβεση. Αναπτύσσεται ανάμεσα στους πόλους του καλωδίου και είναι στην πράξη η συχνότητα με την οποία οδεύει το πεδίο ανάμεσα στους αγωγούς από το ένα άκρο στο άλλο. f 8 U Hz (4.10) 3 4l 4 10 Όπου U είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος στο καλώδιο και έχει υπολογιστεί σε προηγούμενη διπλωματική εργασία [24] Α Συμβατικό καλώδιο με π-ισοδύναμο Το μοντέλο του π-ισοδύναμου κυκλώματος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και αποτελείται από τη διαμήκη αντίσταση και αυτεπαγωγή και από τις εγκάρσιες χωρητικότητες. Οι τιμές που επιλέχθηκαν για τη ανά μήκος αντίσταση, αυτεπαγωγή και χωρητικότητα είναι : Ω/km, mh/km και μf/km. Ο αριθμός των π-ισοδύναμων που χρησιμοποιούνται εν σειρά για την προσομοίωση της γραμμής είναι 5. Ένας μεγαλύτερος αριθμός ισοδύναμων θα είχε ως αποτέλεσμα ακόμη καλύτερη απόκριση, ωστόσο θα αύξανε δυσανάλογα πολύ το χρόνο προσομοίωσης σε σχέση με τη βελτίωση που θα επέφερε στις κυματομορφές. Σχήμα 4.8 Το π-ισοδύναμο μοντέλο της γραμμής μεταφοράς. 42

43 4.6.4.Β Συμβατικό καλώδιο με διανεμημένες παραμέτρους Η θεώρηση των διαφόρων ηλεκτρικών κυκλωμάτων ενός ΣΗΕ με συγκεντρωμένες παραμέτρους συνεπάγεται ότι οι μεταβολές της τάσης και του ρεύματος που οφείλονται σε μία διαταραχή που συμβαίνει σε ένα τμήμα του κυκλώματος γίνονται αισθητές ταυτόχρονα (αλλά με διαφορετική ένταση) σε όλα τα άλλα τμήματα. Σε γραμμές μεταφοράς όμως μεγάλου μήκους η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δε μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός, c = 300 m/μs. Έτσι λοιπόν αν θεωρήσουμε ότι τα R, L και C στοιχεία δεν είναι συγκεντρωμένα αλλά κατανέμονται ομοιόμορφα κατά μήκος της γραμμής, οδηγούμαστε στο μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων. Οι πίνακες των διανεμημένων στοιχείων του καλωδίου είναι: R e e e e-03 L e e e e-06 C e e e e-09 σε R/m (4.11) σε Η/m (4.12) σε F/m (4.13) Οι πίνακες είναι συμμετρικοί, λόγω αμοιβαιότητας. Οι αμοιβαίες χωρητικότητες, δηλαδή τα στοιχεία εκατέρωθεν της διαγωνίου, είναι αρνητικές εξ ορισμού Γ Υπεραγώγιμο καλώδιο με π-ισοδύναμο Για την προσομοίωση του υπεραγώγιμου καλωδίου χρησιμοποιήθηκε ένα διπολικό ομοαξονικό καλώδιο, σε συνδυασμό με αντιστάσεις μεταβλητές συναρτήσει του ρεύματος που διαρρέει το καλώδιο. Με αυτόν τον τρόπο προσομοιώνεται η μεταβολή του καλωδίου από υπεραγώγιμο σε συμβατικό μόλις η ρευματική πυκνότητα υπερβεί την κρίσιμη. Οι παράμετροι του π- ισοδύναμου σε σχέση με την αντίστοιχη περίπτωση του συμβατικού καλωδίου 43

44 διαφέρουν ως προς το ότι η αντίσταση είναι πολλαπλασιασμένη με το 10-3 και η αυτεπαγωγή με το 10-1, ενώ η χωρητικότητα είναι ακριβώς ίδια. Σχήμα 4.9 Το π-ισοδύναμο μοντέλο της υπεραγώγιμης γραμμής μεταφοράς. Παρακάτω παρουσιάζεται η υλοποίηση της μεταβλητής αντίστασης, όπου σκοπός της είναι η πτώση τάσης κατά μήκος του καλωδίου να αποδοθεί συναρτήσει του ρεύματος των αγωγών. Σχήμα 4.10 Η υλοποίηση της μεταβλητής αντίστασης στο Simulink Δ Υπεραγώγιμο καλώδιο με διανεμημένες παραμέτρους Το συγκεκριμένο καλώδιο είναι ένα διπολικό ομοαξονικό καλώδιο με τρεις αγωγούς, δυο πόλους και τον μανδύα-αγωγό γείωσης. Ο μανδύας του καλωδίου γειώνεται στα δυο του άκρα μέσω αυτεπαγωγών συνολικής αυτεπαγωγής 20 mh, ώστε να περιοριστεί το ρεύμα που επάγεται σε αυτόν. 44

45 Σχήμα 4.11 Το μοντέλο του υπεραγώγιμου καλωδίου με διανεμημένες παραμέτρους. Οι πίνακες των διανεμημένων στοιχείων του καλωδίου είναι : e e e-03 R e e e e e e e e e-06 L e e e e e e-06 σε R/m (4.14) σε H/m (4.15) e e e-27 C e e e e e e-09 σε F/m (4.16) Ισχύει και εδώ η συμμετρικότητα και οι αρνητικές αμοιβαίες χωρητικότητες. Παρατηρούμε ότι η διαφορές στις τιμές των στοιχείων των πινάκων σε σχέση με την αντίστοιχη περίπτωση του συμβατικού καλωδίου είναι αρκετά μικρές. Ο λόγος είναι πως το μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων λαμβάνει υπόψη του και την επίδραση της γης στις παραμέτρους της γραμμής, κάτι που αγνοεί το π- ισοδύναμο. Η κύρια διαφορά εντοπίζεται στην ύπαρξη του γειωμένου μανδύα στο υπεραγώγιμο καλώδιο, γεγονός που διαφοροποιεί τη γεωμετρία της διάταξης. 45

46 5. Έλεγχος της DC διασυνδετικής γραμμής Οι σταθμοί λειτουργούν ανεξάρτητα μεταξύ τους. Ο έλεγχος κάθε σταθμού έχει δυο βαθμούς ελευθερίας, δηλαδή κάθε σταθμός είναι ικανός για έλεγχο δυο μεγεθών, τα οποία καθορίζονται από τον χαρακτήρα των διασυνδεόμενων δικτύων. Οι σταθμοί αυτού του μοντέλου διασυνδέουν ανάλογα με την τοπολογία του συστήματος τρία ή τέσσερα στιβαρά δίκτυα (άπειροι ζυγοί). Κάθε σταθμός εφαρμόζει τον ίδιο έλεγχο με τη μέθοδο στατισμόυ (droop) που αναφέραμε στο κεφάλαιο 3 για τις στρατηγικές ελέγχου των πολυτερματικών δικτύων, ελέγχει δηλαδή την ενεργό ισχύ του συναρτήσει της dc τάσης του με βάση τη σχέση 3.1 και την άεργο ισχύ του. Σχήμα 5.1 Η υλοποίηση του ελέγχου στατισμού στο Simulink. Οι βασικές εξισώσεις στις οποίες βασίστηκε ο έλεγχος για την ενεργό και την άεργο ισχύ είναι οι εξής : P V V X sin ac conv (5.1) s 2 Vac Vconv cos Vconv Q (5.2) X X s s Δηλαδή κάθε μεταβολή στην ισχύ μεταφράζεται ως μεταβολή της γωνίας δ. Στη συνέχεια θα ακολουθήσει μια συνοπτική περιγραφή των βασικών σημείων του 46

47 ελέγχου, καθώς αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης προηγούμενης διπλωματικής πάνω στην οποία στηρίχθηκε η παρούσα. Έγινε υλοποίηση κασκωδικού ελέγχου με χρήση PI ελεγκτών για γρήγορη απόκριση του συστήματος και απόρριψη διαταραχών. Υλοποιήθηκαν δύο βρόχοι ελέγχου σε σειρά, με τον πρώτο (εξωτερικός έλεγχος) να αποτελεί την είσοδο για τον δεύτερο (εσωτερικός έλεγχος). Ο εσωτερικός βρόχος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της ταχύτερα μεταβαλλόμενης παραμέτρου, όπως είναι το ρεύμα, ενώ ο εξωτερικός αναλαμβάνει κάποια βασική φυσική παράμετρο, όπως π.χ την ενεργό ισχύ. Βασική προϋπόθεση για την ευστάθεια του συστήματος είναι τα κέρδη των ελεγκτών να είναι διαφορετικά για κάθε βρόχο, λόγω της διαφοράς φάσης των δύο ελέγχων που αναφέρθηκαν πριν. Αρχικά τα μεγέθη εισόδου μετασχηματίζονται σε στατικούς άξονες αβ0 και στρέφονται κατά 30 ο αριστερά για να αρθεί η επιπορεία της τάσης που εισάγει ο Μ/Σ και στη συνέχεια μετασχηματίζονται σε dq0 στρεφόμενους άξονες. Έπειτα τα dq0 μεγέθη εισάγονται στο μπλοκ current control και αφού περάσουν από το στάδιο του ελέγχου μετασχηματίζονται πάλι σε abc ποσότητες. Στη συνέχεια υφίστανται μια χρονική καθυστέρηση η οποία αντιστοιχεί σε μία περίοδο δειγματοληψίας. Τέλος, θα δοθούν ως είσοδο στη γεννήτρια PWM παλμών και από εκεί στη γέφυρα μετατροπής. Σχήμα 5.2 Η υλοποίηση του σταθμού ελέγχου στο Simulink. 47

48 6. Προσομοίωση μόνιμης κατάστασης Αρχικά εξετάζεται η λειτουργία του κάθε μοντέλου στη μόνιμη κατάσταση, ώστε να υπάρχει η αναφορά με την οποία θα συγκριθούν οι μετέπειτα αποκρίσεις σε σφάλματα και να συγκριθούν οι αποκρίσεις των διάφορων μοντέλων μεταξύ τους. Παρακάτω παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις ως προς το χρόνο των βασικών ηλεκτρικών μεγεθών των μοντέλων προσομοίωσης. Η επιλογή τους έγινε κάθε φορά με κριτήριο την παρουσίαση χρήσιμων πληροφοριών για την εξαγωγή ουσιαστικών συμπερασμάτων, ώστε αφενός να εξοικονομηθεί χώρος και αφετέρου να μην κουραστεί ο αναγνώστης. 6.1 Μοντέλο pi_3_conv Για το σύστημα των 3 τερματικών που υλοποιείται με συμβατική γραμμή μεταφοράς και π-ισοδύναμο έχουμε τις αποκρίσεις των 3 dc ρευμάτων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Παρατηρούμε ότι το επίπεδο του ρεύματος εξαρτάται από τη μεταφερόμενη ισχύ, η οποία διαφοροποιείται κάθε φορά (το 1 ο δίκτυο παρέχει 0.8 pu, ενώ το 2 ο και το 3 ο απορροφούν 0.5 pu και 0.3 pu αντίστοιχα). 48

49 Σχήμα 6.1 Τα 3 dc ρεύματα στο μοντέλο pi_3_conv. Τα ρεύματα ισομοιράζονται στον θετικό και αρνητικό πόλο. Οι διακοπτικές γέφυρες δρουν ως «βαλβίδες» που εξαναγκάζουν το ρεύμα να ακολουθήσει την επιθυμητή διαδρομή. Η κυμάτωση του ρεύματος είναι περίπου ίση με 200 Α για το 1 ο ρεύμα, 100 Α για το 2 ο και 150 Α για το 3 ο. Στην αρχή παρατηρείται μικρή υπερύψωση που οφείλεται στη δυναμική απόκριση του ελέγχου, ωστόσο το ρεύμα μέσα σε ένα σεχτικά μικρό χρονικό διάστημα αποκαθίσταται στην τελική τιμή ισορροπίας του. Επίσης, ισχύει πάντα Ι1 = 12 + Ι3. 49

50 Σχήμα 6.2 Τα 3 dc ρεύματα στο μοντέλο pi_3_conv με κατάλληλη εστίαση. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα των 3 dc τάσεων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. 50

51 Σχήμα 6.3 Οι 3 dc τάσεις στο μοντέλο pi_3_conv. Παρατηρούμε ότι οι dc τάσεις διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Η πάρα πολύ μικρή αυτή διαφορά οφείλεται στις πτώσεις τάσεις κατά μήκος των dc καλωδίων μεταφοράς. Επίσης, η κυμάτωση για την καθεμία τάση είναι αρκετά μικρή, της τάξης του 1 kv περίπου, όπως μπορεί να φανεί και από το παρακάτω σχήμα. Σχήμα 6.4 Οι 3 dc τάσεις στο μοντέλο pi_3_conv με κατάλληλη εστίαση. Παρόλο που δεν συνδέεται κανένας καταναλωτής στο dc δίκτυο, επιδιώκουμε η αρμονική παραμόρφωση της τάσης και του ρεύματος να είναι όσο το δυνατόν η μικρότερη. Ο λόγος είναι πως μια μεγάλη κυμάτωση θα οδηγούσε σε συνεχείς φορτίσεις και εκφορτίσεις των αυτεπαγωγών και των χωρητικοτήτων της γραμμής, με αποτέλεσμα να αυξηθούν δυσανάλογα οι απώλειες. Δεν υπάρχει 51

52 κάποιο επίσημο πρότυπο το οποίο να καθορίζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη παραμόρφωση για dc ρεύμα και τάση, ωστόσο με βάση την άτυπη βιομηχανική προδιαγραφή η αρμονική παραμόρφωση θα πρέπει να περιορίζεται στο 8% βάσει της οποίας έγινε η διαστασιολόγηση. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα για την ενεργό και άεργο ισχύ με βάση τις αναφορές που έχουν οριστεί στην αρχή του προηγούμενου κεφαλαίου. Σχήμα 6.5 Οι αποκρίσεις της ενεργόυ και της αέργου ισχύος. Το αρνητικό πρόσημο στην ενεργό και άεργο ισχύ αποτελεί μια συνηθισμένη σύμβαση για κατανάλωση ισχύος και η οποία υιοθετήθηκε στην παρούσα διπλωματική. Παρατηρούμε ότι το σύστημά μας ανταποκρίνεται αρκετά ικανοποιητικά, ακολουθώντας τις αναφορές μας με ελάχιστες αποκλίσεις. Οι αποκλίσεις είναι μεγαλύτερες στην ενεργό ισχύ, λόγω της μη ύπαρξης βαθμίδας 52

53 διόρθωσής της, σε αντίθεση με την άεργο. Αντίστοιχη διόρθωση θα μπορούσε να είχε γίνει, διαπιστώνουμε όμως και πάλι ότι η διαφορά είναι αμελητέα, οπότε κάτι τέτοιο δεν κρίνεται αναγκαίο. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ac τάση και το ρεύμα για τους σταθμούς μετατροπής. Σχήμα 6.6 Η ac τάση και το ρεύμα για τον 1 ο σταθμό. Οι τάσεις και τα ρεύματα των άλλων 2 σταθμών είναι αρκετά παρόμοια και γι αυτό το λόγο παραλείπονται. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης και ρεύματος είναι 0.1% και 2.37% αντίστοιχα και τις συναντάμε στο 3 ο ac δίκτυο. 53

54 Σχήμα 6.7 Αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης και του ρεύματος. 6.2 Μοντέλο pi_3_2hts Το σύστημα των 3 τερματικών που υλοποιείται με υπεραγώγιμες γραμμές μεταφοράς και π-ισοδύναμο εμφανίζει παρόμοια απόκριση στη μόνιμη κατάσταση σε ότι αφορά τα μεγέθη των ισχύων, των τάσεων και των ρευμάτων. Για το λόγο αυτό δεν θα παρουσιάσουμε ξανά τα αντίστοιχα διαγράμματα. Η κύρια διαφοροποίηση με το προηγούμενο μοντέλο εντοπίζεται στην αρμονική 54

55 παραμόρφωση των dc μεγεθών. Συγκεκριμένα, η αρμονική παραμόρφωση του dc ρεύματος είναι της τάξης του 5.08%, ενώ στη dc τάση είναι 0.47%, ποσοστά αυξημένα σε σχέση με το συμβατικό καλώδιο. Σχήμα 6.8 Αρμονική παραμόρφωση της dc τάσης και του ρεύματος στο μοντέλο pi_3_2hts. Η αιτία είναι ότι στη μόνιμη κατάσταση η υπεραγώγιμη διασύνδεση εμφανίζει αυτεπαγωγή αρκετά μειωμένη, καθώς είναι πολλαπλασιασμένη με το συντελεστή 0.1. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι αρμονικές του ρεύματος που εγχέονται στο dc μέρος λόγω των μετατροπέων να μην φιλτράρονται τόσο ικανοποιητικά όσο πριν. Στην τάση η διαφορά είναι πολύ πιο μικρή λόγω του ότι 55

56 η τιμή της χωρητικότητας δεν αλλάζει στις δύο περιπτώσεις, με αποτέλεσμα οι αρμονικές της τάσης να απορροφούνται εξίσου καλά. Παρά τη μεγαλύτερη αρμονική παραμόρφωση στο dc μέρος, αυτό δεν οδηγεί και σε μεγάλη παραμόρφωση στο ac μέρος, χάρη στα ac φίλτρα, την αυτεπαγωγή γραμμής και τον μετασχηματιστή. Έτσι, για το ac ρεύμα και τάση έχουμε μέγιστο ποσοστό THD της τάξης του 2.93% και 0.12%. Επίσης, η αυξημένη αρμονική παραμόρφωση δεν αυξάνει τις απώλειες στο dc μέρος, καθώς η αντίσταση του καλωδίου είναι πολύ μικρότερη (3 τάξεις μεγέθους παρακάτω). 6.3 Μοντέλο dis_3_conv Στο μοντέλο αυτό διαπιστώνουμε μια αρκετά μεγαλύτερη πτώση της dc τάσης μεταξύ των τερματικών του σε σχέση με το αντίστοιχο μοντέλο με π-ισοδύναμο. Η απόκριση των υπόλοιπων μεγεθών είναι αρκετά παρόμοια. Παρακάτω παρουσιάζονται τα διαγράμματα για τις dc τάσεις των 3 τερματικών ξεχωριστά. 56

57 Σχήμα 6.9 Οι dc τάσεις των 3 τερματικών. Οι τάσεις των 3 τερματικών σε ένα κοινό διάγραμμα με κατάλληλη εστίαση : Σχήμα 6.10 Οι dc τάσεις των 3 τερματικών με κατάλληλη εστίαση. 57

58 Η μεγαλύτερη πτώση τάσης οφείλεται στο ότι το μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων προσομοιώνει καλύτερα τον πραγματικό χαρακτήρα της γραμμής σε σχέση με το π-ισοδύναμο. Επίσης παρατηρούμε ότι μεγαλύτερη βύθιση έχουμε στο ζυγό 2, καθώς σε αυτόν έχουμε μεταφορά μεγαλύτερης ενεργού ισχύος (0.5 pu) σε σχέση με το ζυγό 3 (0.3 pu). Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και τάση είναι της τάξης του 1.81% και 0.62% αντίστοιχα, ενώ για τα αντίστοιχα ac μεγέθη είναι ίση με πριν. Σχήμα 6.11 Η αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και την τάση στο μοντέλο dis_3_conv. 58

59 6.4 Μοντέλο dis_3_2hts Σε αυτό το μοντέλο η υπεραγώγιμη διασύνδεση είχε σαν συνέπεια να μην υπάρξουν διακριτές πτώσεις της dc τάσης, με την απόκρισή της να είναι όμοια με αυτή των 2 πρώτων μοντέλων με π-ισοδύναμα. Ωστόσο, παρατηρούμε και εδώ όπως και στο μοντέλο pi_3_2hts μεγαλύτερη αρμονική παραμόρφωση στο dc ρεύμα, όχι όμως τόσο μεγάλη όσο στο π-ισοδύναμο. Αυτό οφείλεται στο ότι η διαφορά στην τιμή της αυτεπαγωγής για τα δύο μοντέλα των διανεμημένων παραμέτρων δεν είναι τόσο μεγάλη όσο στα 2 pi μοντέλα. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και τάση είναι της τάξης του 3.73% και 0.45% αντίστοιχα. Σχήμα 6.12 Η αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και την τάση στο μοντέλο dis_3_2hts. 59

60 6.5 Μοντέλο pi_4_conv Για το σύστημα των 4 τερματικών που υλοποιείται με συμβατική γραμμή μεταφοράς και π-ισοδύναμο έχουμε τις αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων που διαρρέουν τους 4 dc ζυγούς στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Για λόγους συντομίας παρουσιάζουμε μόνο τα ρεύματα των θετικών πόλων σε ένα κοινό διάγραμμα, καθώς υπάρχει συμμετρία. Παρατηρούμε ότι το επίπεδο του ρεύματος εξαρτάται από τη μεταφερόμενη ισχύ, η οποία διαφοροποιείται κάθε φορά (το 1 ο και το 3 ο δίκτυο παρέχουν 0.8 pu και 0.4 pu αντίστοιχα, ενώ το 2 ο και το 4 ο απορροφούν 0.7 pu και 0.5 pu αντίστοιχα). Σχήμα 6.13 Τα dc ρεύματα των 4 μετατροπέων. Παρατηρούμε ότι τα ρεύματα αυτά εμφανίζουν έντονη κυμάτωση και αρμονική παραμόρφωση, κάτι που είναι λογικό καθώς βρίσκονται ακριβώς στις εξόδους των μετατροπέων πριν τα dc φίλτρα. Τα ρεύματα των γραμμών στη συνέχεια εμφανίζουν πιο ομαλή απόκριση και λιγότερη κυμάτωση, λόγω του ότι έχουν υποστεί φιλτράρισμα από το dc φίλτρο 3 ης τάξης και την ίδια την αυτεπαγωγή της γραμμής. Παρατηρούμε ότι τα ρεύματα των γραμμών που συνδέουν τον 2 ο με τον 4 ο μετατροπέα και τον 3 ο με τον 1 ο είναι πολύ μικρότερα σε σύγκριση με τα ρεύματα των γραμμών που συνδέουν τον 1 ο με τον 2 ο και τον 3 ο με τον 4 ο μετατροπέα. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί αν παρατηρήσουμε το σχήμα 4.2 με την τοπολογία 60

61 βρόχου των 4 τερματικών. Στο βρόχο αυτό λοιπόν έχουμε στα αριστερά τον μετατροπέα 1 πάνω και τον 3 κάτω και στα δεξιά τον μετατροπέα 2 πάνω και τον 4 κάτω. Οι μετατροπείς 1 και 3 παρέχουν ενεργό ισχύ, ενώ οι 3 και 4 απορροφούν. Επομένως, είναι λογικό το ρεύμα να είναι μεγαλύτερο στη γραμμή που συνδέει τον 1 με τον 2 παρά στη γραμμή που ενώνει τον 1 με τον 3, καθώς ο μετατροπέας 2 είναι αυτός που ζητάει ισχύ, ενώ οι 1 και 3 παρέχουν και οι δύο. Αντίστοιχα, το ίδιο ισχύει και για το μετατροπέα 4 και τη σύνδεσή του με τους μετατροπέις 2 και 3. Το μέγιστο ποσοστό THD για το dc ρεύμα είναι 4.66%. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα των 4 dc τάσεων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. 61

62 Σχήμα 6.14 Οι 4 dc τάσεις στη μόνιμη κατάσταση. 62

63 Παρακάτω φαίνονται και οι 4 τάσεις σε ένα κοινό διάγραμμα μετά από κατάλληλη εστίαση. Σχήμα 6.15 Οι 4 dc τάσεις μετά από κατάλληλη εστίαση. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα για την ενεργό και άεργο ισχύ με βάση τις αναφορές που έχουν οριστεί στην αρχή του προηγούμενου κεφαλαίου. 63

64 Σχήμα 6.16 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος. Διαπιστώνουμε ότι το σύστημά μας ανταποκρίνεται αρκετά ικανοποιητικά, με βάση τις καθορισμένες αναφορές της ισχύος. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η ac τάση και το ρεύμα για τα 4 ac δίκτυα. Η τάση είναι παρόμοια και στα υπόλοιπα 3 δίκτυα και γι αυτό τα διαγράμματα αυτά παραλείπονται. Σχήμα 6.17 Η ac τάση στο 1 ο δίκτυο. 64

65 65

66 Σχήμα 6.18 Τα ac ρεύματα των 4 δικτύων. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης και ρεύματος είναι 0.12% και 2.38% αντίστοιχα και βρίσκονται εντός των επιτρεπόμενων ορίων. Σχήμα 6.19 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης. 66

67 Σχήμα 6.20 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του ac ρεύματος. 6.6 Μοντέλο pi_4_4hts Τα dc ρεύματα των 4 γραμμών μεταφοράς σε ένα κοινό διάγραμμα : Σχήμα 6.21 Τα dc ρεύματα Σε αντίθεση με τα μοντέλα των 3 τερματικών σε ακτινική τοπολογία, εδώ δεν διαπιστώνουμε μεγαλύτερη αρμονική παραμόρφωση στο dc ρεύμα στο μοντέλο pi_4_4hts, με το ποσοστό της THD να βρίσκεται στα ίδια επίπεδα με πριν. Αυτό 67

68 είναι και ένα από τα πλεονεκτήματα της τοπολογίας βρόχου. Στην ακτινική τα ac δίκτυα διασυνδέονταν μεταξύ τους με 2 dc καλώδια, ενώ εδώ έχουμε 4, δηλαδή τα διπλάσια. Η ύπαρξη των περισσότερων γραμμών μεταφοράς οδηγεί σε καλύτερη απόδοση του συστήματος και περισσότερη αξιοπιστία εν γένει. Η ακτινική τοπολογία είναι η πιο απλή και προσφέρεται για τη σύνδεση των υπεράκτιων αιολικών πάρκων και τη δημιουργία ενός απλού πολυτερματικού δικτύου σε πρώτο στάδιο. Σε επόμενη φάση, για να υπάρχει η δυνατότητα ανταλλαγής ισχύος μέσω εναλλακτικών δρόμων και για να αυξηθεί η αξιοπιστία και η ευστάθεια του συστήματος, τα δίκτυα μπορούν να μετασχηματιστούν σε μορφή απλού ή σύνθετου βρόχου. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι βέλτιστη τοπολογία δεν υπάρχει και η επιλογή της εξαρτάται από τις παραμέτρους και τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διαγράμματα των 4 dc τάσεων. 68

69 Σχήμα 6.22 Οι dc τάσεις των 4 ζυγών. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της ac τάσης και ρεύματος είναι 0.33% και 2.24% αντίστοιχα και βρίσκονται εντός των επιτρεπόμενων ορίων. Σχήμα 6.23 Μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του ac ρεύματος 69

70 6.7 Μοντέλο dis_4_conv Στο μοντέλο αυτό όπως και στην περίπτωση των 3 τερματικών διαπιστώνουμε μια αρκετά μεγαλύτερη πτώση της dc τάσης μεταξύ των τερματικών του σε σχέση με το αντίστοιχο μοντέλο με π-ισοδύναμο. Η απόκριση των υπόλοιπων μεγεθών είναι αρκετά παρόμοια. Παρακάτω παρουσιάζονται τα διαγράμματα για τις dc τάσεις των 4 τερματικών σε ένα κοινό διάγραμμα με κατάλληλη εστίαση. Σχήμα 6.24 Οι 4 dc τάσεις σε κοινό διάγραμμα με κτάλληλη εστίαση. Βλέπουμε και πάλι ότι ότι η πτώση της τάσης είναι αρκετά μεγαλύτερη στους ζυγούς 2 και 4 σε σχέση με τους ζυγούς 1 και 3, κάτι λογικό καθώς η ισχύς παραλαμβάνεται από τους πρώτους και αποστέλλεται από τους δεύτερους. Οι πτώσεις τάσης είναι επίσης μεγαλύτερες σε σχέση με το ακτινικό μοντέλο των 3 τερματικών. Αυτό είναι ένα μειονέκτημα της βροχοειδής τοπολογίας, καθώς πλέον έχουν αυξηθεί οι αποστάσεις μεταξύ των τερματικών, δεδομένου ότι παρεμβάλλονται μεταξύ τους περισσότερες γραμμές μεταφοράς, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πτώση τάσης στους ζυγούς παραλαβής ισχύος. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και τάση είναι της τάξης του 2.34% και 0.72%, ενώ για τα αντίστοιχα ac μεγέθη είναι 2.58% και 0.15%. 70

71 6.8 Μοντέλο dis_4_4hts Όπως και πριν, έτσι και τώρα η υπεραγώγιμη διασύνδεση είχε σαν συνέπεια να μην υπάρξουν διακριτές πτώσεις της dc τάσης, με την απόκρισή της να είναι όμοια με αυτή των 2 πρώτων μοντέλων 4 τερματικών με π-ισοδύναμα. Η αρμονική παραμόρφωση στο dc ρεύμα και την τάση είναι αρκετά μικρή όπως και στο προηγούμενο μοντέλο. Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση για το dc ρεύμα και τάση είναι της τάξης του 2.64% και 0.3%, ενώ για τα αντίστοιχα ac μεγέθη είναι 2.38% και 0.13%. Σχήμα 6.25 Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση του dc ρεύματος. Σχήμα 6.26 Η μέγιστη αρμονική παραμόρφωση της dc τάσης. 71

72 7. Σφάλματα στο εναλλασσόμενο δίκτυο Σε αυτή την ενότητα θα μελετηθούν τα βραχυκυκλώματα στην ac πλευρά του δικτύου, τριφασικά και μονοφασικά. Συγκεκριμένα τα σφάλματα που ορίστηκαν είναι τα εξής : Βραχυκύκλωμα στο ac Αντίσταση σφάλματος (mω) Τριφασικό στον feeder 1 Μονοφασικό-γης στον feeder 2 Η αρχή όλων των σφαλμάτων ορίζεται τη στιγμή t = 1 sec και η διάρκειά τους ορίζεται ίση με 0.1 sec. Η προσομοίωση εξετάζει χρονικό πλαίσιο 1 sec από την έναρξη του σφάλματος, δηλαδή συνολικό χρόνο 2 sec ή περισσότερο αν το σύστημα δεν έχει επιστρέψει στην ηρεμία. Γενικώς, στο τριφασικό βραχυκύκλωμα, οι ισχείς βραχυκύκλωσης είναι μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες μονοφασικές. Αυτό είναι προφανώς αναμενόμενο, γιατί στην περίπτωση του μονοφασικού βραχυκυκλώματος καλείται μόνο η μια από τις τρεις φάσεις να μεταφέρει την ισχύ βραχυκύκλωσης, σε αντίθεση με το τριφασικό βραχυκύκλωμα. Ωστόσο, στο τριφασικό σφάλμα οι τιμές των ρευμάτων βραχυκύκλωσης του δικτύου είναι μικρότερες σε σχέση με τα αντίστοιχα μονοφασικά μεγέθη. Αυτοί είναι και οι λόγοι που επιλέξαμε να εξετάσουμε αυτούς τους δύο τύπους σφαλμάτων. 7.1 Τριφασικό βραχυκύκλωμα Το σφάλμα συμβαίνει μεταξύ των 3 φάσεων στο κοινό σημείο του δικτύου 1 με το σταθμό 1 και διαρκεί 0.1 sec. Οσο πιο κοντά βρισκόμαστε στο δίκτυο feeder, τόσο πιο έντονες θα είναι οι επιπτώσεις του βραχυκυκλώματος, λόγω του ότι αυτό τροφοδοτεί στο μεγαλύτερο βαθμό το βραχυκύκλωμα. Εξετάζουμε δηλαδή τη χειρότερη δυνατή περίπτωση. Οι αποκρίσεις των μοντέλων με π-ισοδύναμα και διανεμημένες παραμέτρους είναι αρκετά παρόμοιες, οπότε θα παρουσιάσουμε μόνο τις πρώτες. 72

73 7.1.Α Μοντέλο pi_3_conv 73

74 Σχήμα 7.1 Τα 3 dc ρεύματα Το ρεύμα, τόσο κατά τη διάρκεια του σφάλματος όσο και κατά τις πρώτες χρονικές στιγμές από την αποκατάσταση του, δεν υπερβαίνει το κρίσιμο ρεύμα (για τη μελέτη αυτή 6500 A) και το καλώδιο συνεχίζει να λειτουργει ως υπεραγώγιμο. Τα ρεύματα που μας ενδιαφέρουν είναι το Ιdc2 και το Idc3, αφού είναι αυτά που διαρρεόυν τα δύο dc καλώδια που συνδέουν τον 1 ο μετατροπέα με τον 2 ο και τον 3 ο αντίστοιχα. Το Idc1 είναι το ρεύμα στην έξοδο του 1 ου μετατροπέα και ισούται με το άθροισμα των άλλων δύο. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος τα τρία dc ρεύματα υπόκεινται σε συνεχείς αυξομειώσεις. Μάλιστα για το Ιdc3 έχουμε και αντιστροφή της ροής του, δηλαδή να ρέει ρεύμα από τον μετατροπέα 3 προς τον 1, όπου λαβάνει χώρα η διαταραχή του συστήματος. 74

75 Σχήμα 7.2 Οι 3 dc τάσεις. Για τις τρεις dc τάσεις παρατηρούμε ότι υφίστανται και αυτές ταλαντώσεις κατά το βραχυκύκλωμα, με τη μεγαλύτερη καταπόνηση να δέχεται φυσικά η Vdc1. Ωστόσο, μετά το πέρας του σφάλματος επανέρχονται μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα στην αρχική τους τιμή. Παρακάτω ακολουθούν οι κυματομορφές για την ενεργό και την άεργο ισχύ. 75

76 Σχήμα 7.3 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος (1-1.1 sec) η μεταφερόμενη ενεργός και άεργη ισχύς από το δίκτυο 1 προς το υπόλοιπο σύστημα είναι μηδενική. Παρατηρούμε ότι η άεργος ισχύς του 1 ου τερματικού υφίσταται πολύ μικρότερη διαταραχή από ότι η ενεργός, ενώ στα άλλα δύο τερματικά ισχύει το αντιθετο. 76

77 Σχήμα 7.4 Η απόκριση της ac τάσης. Το δίκτυο 1 θεωρείται στιβαρό, με συνέπεια η ac τάση να επανέρχεται τάχιστα. Για τις τάσεις των άλλων δικτύων, που θεωρούνται επίσης στιβαρά, δεν θα παρουσιάσουμε διαγράμματα για τις ac τάσεις τους, καθώς η επίδραση του σφάλματος στα συγκεκριμένα μέγέθη ήταν αμελητέα. Δεν θα κάνουμε όμως το ίδιο για τα ac ρεύματα, διότι σε αυτά η επίδραση που ασκήθηκε ήταν σαφώς πιο έντονη. Για το δίκτυο 1, το ρεύμα φτάνει μέχρι 1.7 pu, με χρόνο αποκατάστασης 0.15 sec μετά το πέρας του μεταβατικού. Στα δίκτυα 2 και 3 και το ρεύμα αυξάνεται σε μικρότερο βαθμό. Ωστόσο, ο χρόνος αποκατάστασής του είναι περίπου 0.2 sec μετά το τέλος του βραχυκυκλώματος, μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο του ρεύματος που βρίσκεται ακριβώς στο σφάλμα. 77

78 Σχήμα 7.5 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων. 7.1.Β Μοντέλο pi_3_2ητs Στο μοντέλο αυτό, λόγω της υπεραγώγιμης διασύνδεσης, θα περιμέναμε ότι οι αποκρίσεις των διαφόρων μεγεθών θα εμφάνιζαν χειρότερα αποτελέσματα σε σχέση με πριν. Παρόλα αυτά, οι αποκρίσεις ήταν ελαφρώς καλύτερες. Οι πιθανοί λόγοι για το παράδοξο αυτό είναι ότι : 78

79 1. Tα τρία ac δίκτυα που διασυνδέονται μεταξύ τους είναι όλα στιβαρά, με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατό να φανεί στην πράξη η αδυναμία του υπεραγώγιμου μέσου μεταφοράς στην απόσβεση σφαλμάτων. 2. Το υπεραγώγιμο μοντέλο εμφανίζει μια πιο βέλτιστη απόκριση σε σχέση με το συμβατικό, του οποίου η απόκριση είναι ενδιάμεση. Σχήμα 7.6 Οι αποκρίσεις των 2 dc ρευμάτων των καλωδίων. 79

80 Παρατηρούμε ότι τα dc ρεύματα επανέρχονται στην αρχική τους τιμή στα 1.4 sec περίπου, ενώ πριν αυτό συνέβαινε στα 1.6 sec. Σχήμα 7.7 Οι αποκρίσεις των 3 dc τάσεων. 80

81 Παρόμοια για την dc τάση, βλέπουμε ότι επανέρχεται στα 1.5 sec, όταν στο συμβατικό μοντέλο αυτό συνέβαινε στα 1.65 sec περίπου. Επίσης, παρατηρούμε ότι η Vdc1 εμφανίζει μικρότερη αυξομείωση στη διάρκεια του σφάλματος. Σχήμα 7.8 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος. Στην ενεργό ισχύ διαπιστώνουμε πάλι μια πιο γρήγορη επαναφορά στα 1.4 sec περίπου, σε σύγκριση με τα 1.5 sec που είχαμε πριν. Στην άεργο παρατηρούμε μια μικρότερη αυξομείωση για τις ισχείς του 2 ου και 3 ου τερματικού. 81

82 Σχήμα 7.9 Η απόκριση της ac τάσης. Βλέπουμε ξανά ότι η ac τάση, αφότου παρέλθει το σφάλμα, επαναφέρεται άμεσα. Για τα ac ρεύματα ισχύουν όσα αναφέραμε και πριν. 82

83 Σχήμα 7.10 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων. 7.1.Γ Μοντέλο pi_4_conv Για το μοντέλο των 4 τερματικών μας ενδιαφέρουν αρχικά τα ρεύματα των 4 dc καλωδίων που συνδέουν τα επιμέρους ac δίκτυα μεταξύ τους. Διαπιστώνουμε πάλι ότι το ρεύμα, τόσο κατά τη διάρκεια του σφάλματος όσο και κατά τις πρώτες χρονικές στιγμές από την αποκατάσταση του, δεν υπερβαίνει το κρίσιμο ρεύμα (για τη μελέτη αυτή 6500 A) και το καλώδιο συνεχίζει να λειτουργει ως υπεραγώγιμο. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα των 4 dc τάσεων και της ενεργού και αέργου ισχύος. 83

84 Σχήμα 7.11 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων. 84

85 85

86 Σχήμα 7.12 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων. Για τις dc τάσεις έχουμε ένα χρόνο αποκατάστασης της τάξης των 0.45 sec από τη στιγμή που έχει παρέλθει το σφάλμα στα 1.1 sec. Σε ότι αφορά τις ισχείς παρατηρούμε το εξής : στους σταθμούς αποστολής ισχύος (1 και 3) έχουμε μεγαλύτερες διαταραχές και αυξομειώσεις στην ενεργό απ ότι στην άεργο, ενώ στους σταθμούς παραλαβής (2 και 4) ισχύει το αντίθετο. 86

87 Σχήμα 7.13 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος. 7.1.Δ Μοντέλο pi_4_4hts Στο μοντέλο αυτό δεν ισχύουν όσα περιγράψαμε στον αντίστοιχο μοντέλο με συμβατικό καλώδιο για το παράδοξο στη σύγκριση της απόκρισης του υπεραγώγιμου καλωδίου. Εδώ διαπιστώνουμε ότι η υπεραγωγιμότητα οδηγεί σε αρκετά χειρότερα αποτελέσματα σε περίπτωση σφάλματος. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα των βασικών μεγεθών του μοντέλου, καθώς και κοινά διαγράμματα στα οποία γίνεται η σύγκριση με την απόκριση του προηγούμενου συμβατικού καλωδίου, έτσι ώστε να φανεί καλύτερα η διαφορά. Η επίδραση στην ac τάση ήταν αμελητέα και γι αυτό την παραλείψαμε. 87

88 Σχήμα 7.14 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων. 88

89 89

90 Σχήμα 7.15 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων. 90

91 Σχήμα 7.16 Οι αποκρίσεις της ενεργού και αέργου ισχύος. 91

92 Σχήμα 7.17 Οι αποκρίσεις των 4 ac ρευμάτων. Στα κοινά διαγράμματα που ακολουθούν έχουμε επιλέξει κάποια μεγέθη για να παρουσιάσουμε καλύτερα τις αντιθέσεις ανάμεσα στα δύο καλώδια. Παρατηρούμε ότι τα dc ρεύματα εμφανίζουν αρκετά μεγαλύτερα μέγιστα και ελάχιστα στις αυξομειώσεις τους εξαιτίας του σφάλματος. Ενδεικτικά, το Idc12 φτάνει στα 5 ka με υπεραγώγιμη διασύνδεση, ενώ με συμβατικό καλώδιο στα 4 ka. Το Idc24 με υπεραγώγιμο πέφτει στα -1 ka περίπου, ενώ με συμβατικό στα ka. 92

93 93

94 Σχήμα 7.18 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο. Το 3 ο τερματικό παρουσίασε τη μεγαλύτερη διαφορά σε ότι αφορά τις ισχείς και γι αυτό επιλέξαμε να παρουσιάσουμε μόνο αυτό. Σχήμα 7.19 Οι αποκρίσεις της ενεργού ισχύος για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο. Στο υπεραγώγιμο καλώδιο η ενεργός ισχύς κατά τη διάρκεια του σφάλματος φτάνει έως τα 1.5 pu, ενώ κατά την επαναφορά μειώνεται στα -0.5 pu. Για το συμβατικό καλώδιο οι αντίστοιχες τιμές είναι αρκετά μικρότερες. Παρόμοιες μεγάλες διαφορές συναντάμε και στο επόμενο διάγραμμα της αέργου ισχύος. 94

95 Σχήμα 7.20 Οι αποκρίσεις της αέργου ισχύος για το συμβατικό και υπεραγώγιμο καλώδιο. 7.2 Μονοφασικό βραχυκύκλωμα Το μονοφασικό βραχυκύκλωμα συμβαίνει ανάμεσα στη φάση a και τη γη, με αντίσταση σφάλματος 1 mω και αντίσταση γης 1 mω (αυστηρά επιλεγμένες τιμές). Το σφάλμα συμβαίνει, στο κοινό σημείο του δικτύου 1 με το σταθμό 1 και διαρκεί 0.1 sec. Η επιλογή των ελάχιστων τιμών αντιστάσεων αποσκοπεί στη διερεύνηση της μεταβατικής απόκρισης στη χειρότερη δυνατή περίπτωση. Οι αποκρίσεις των μοντέλων με π-ισοδύναμα και διανεμημένες παραμέτρους είναι αρκετά παρόμοιες, οπότε θα παρουσιάσουμε μόνο τις πρώτες. Το ίδιο ισχύει και για τα υπεραγώγιμα με τα συμβατικά μοντέλα, όπου οι διαφορές είναι αρκετά μικρές, με τα υπεραγώγιμα να εμφανίζουν μια ελαφρώς χειρότερη απόκριση. Συνεπώς, επιλέγουμε να παρουσιάσουμε μόνο συμβατικά με π-ισοδύναμα. 7.2.Α Μοντέλο pi_3_conv Για το μοντέλο αυτό παρουσιάζουμε σε ένα κοινό διάγραμμα τα 3 dc ρεύματα των θετικών του πόλων και ξεχωριστά τις 3 dc τάσεις. Παρατηρούμε στα μεγέθη αυτά ότι οι διαταραχές κατά τη διάρκεια του σφάλματος και την επαναφορά εμφανίζουν πολύ μικρότερο πλάτος σε σχέση με το τριφασικό βραχυκύκλωμα. 95

96 Σχήμα 7.21 Οι αποκρίσεις των 3 dc ρευμάτων. 96

97 Σχήμα 7.22 Οι αποκρίσεις των 3 dc τάσεων. Σε ότι αφορά τις ισχείς, διαπιστώνουμε πολύ πιο ήπιες μεταβολές από το τριφασικό βραχυκύκλωμα, όπως ήταν άλλωστε αναμενόμενο. Η διαταραχή της ενεργού ισχύος μεταφέρεται μειωμένη ως προς το πλάτος στους σταθμούς 2 και 3, ωστόσο δεν ισχύει το ίδιο για την άεργο ισχύ, όπου μετά βίας γίνεται αντιληπτή η διαταραχή στους ίδιους σταθμούς. Σχήμα 7.23 Η απόκριση της ενεργού ισχύος. 97

98 Σχήμα 7.24 Η απόκριση της αέργου ισχύος. Για την ac τάση διαπιστώνουμε ότι οι φάσεις b και c που δεν συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα δεν επηρεάζονται καθόλου. Σχήμα 7.25 Η ac τάση. Δεν ισχύει το ίδιο και για το ac ρεύμα. Ειδικά για το ρεύμα του 1 ου δίκτυου, βλέπουμε μια πολύ μεγάλη διαταραχή, που αποσβένεται λίγο μετά τα 2 sec. Αντιθέτως, στα άλλα δύο δίκτυα η επίδραση του σφάλματος είναι πολύ μικρότερη. 98

99 Σχήμα 7.26 Οι αποκρίσεις των 3 ac ρευμάτων. 99

100 7.2.Β Μοντέλο pi_4_conv Παρόμοια συμπεράσματα με πριν μπορούν να εξαχθούν και γι αυτό το μοντέλο. Σχήμα 7.27 Οι αποκρίσεις των 4 dc ρευμάτων. 100

101 Σχήμα 7.28 Οι αποκρίσεις των 4 dc τάσεων. 101

102 Σχήμα 7.29 Οι αποκρίσεις της ενεργού και της αέργου ισχύος. Σχήμα 7.30 Η απόκριση του ρεύματος του 1 ου δικτύου. 102

103 8. Μεταβολές ροής ισχύος Οι μεταβολές ροής ισχύος είναι αναπόσπαστο κομμάτι της μελέτης μεταβατικών φαινομένων, αποτελώντας τους πιο συχνούς χειρισμούς ελέγχου στα ηλεκτρικά δίκτυα. Παρακάτω μελετώνται βασικά σενάρια βηματικής μεταβολής ισχύος, και παρατίθενται συγκριτικά. Το μοντέλο που επιλέγουμε για να προσομοιώσουμε είναι το pi_3_conv. 8.1 Μεταβολές ενεργού ισχύος Οι μεταβολές ισχύος γίνονται βηματικά, σε βήματα των 0.3 pu. Δηλαδή η ενεργός που αποστέλλει ο σταθμός 1 μειώνεται διαδοχικά από 0.8 σε 0.5, 0.2, -0.1, -0.4 και -0.7 pu. Η άεργος ισχύς παραμένει σταθερή. Όσο μεγαλύτερη η μεταβολή της ισχύος, τόσο πιο έντονο είναι το μεταβατικό φαινόμενο. Από την κυματομορφή της μεταβολής σε -0.1 pu και έπειτα, το dc ρεύμα του 1 ου σταθμού γίνεται αρνητικό. Τα ρεύματα των άλλων σταθμών μεταβάλλονται κι αυτά κάθε φορά ανάλογα με τη μεταβολή της ισχύος τους, έτσι ώστε το ισοζύγιο της ισχύος να διατηρείται σταθερό. 103

104 Σχήμα 8.1 Η απόκριση των 3 dc ρευμάτων συναρτήσει της μεταβολής της ισχύος. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα της ενεργού και αέργου ισχύος του 1 ου σταθμού. Παρατηρούμε ότι το σύστημα ακολουθεί μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα τη νέα αναφορά της ισχύος, ενώ η μικρή διαταραχή που εισάγεται στην άεργο αποσβένεται μέσα σε 0.2 sec περίπου. 104

105 Σχήμα 8.2 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος για τον 1 ο σταθμό. Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα της dc τάσης και του ac ρεύματος του 1 ου σταθμού, καθώς και στους άλλους σταθμούς η επίδραση σε αυτά τα μεγέθη είναι αρκετά παρόμοια. Βλέπουμε και πάλι ότι το πλάτος της διαταραχής και ο χρόνος αποκατάστασης αυξάνονται με τη μεταβολή της ισχύος. 105

106 Σχήμα 8.3 Η απόκριση της dc τάσης για τον 1 ο σταθμό. Σχήμα 8.4 Η απόκριση του ac ρεύματος για τον 1 ο σταθμό. 8.2 Μεταβολές αέργου ισχύος Εξετάζονται σενάρια βηματικής μεταβολής της αέργου ισχύος από 0.6 pu έως και -0.6, με βήματα των 0.3 pu κάθε φορά. Η ενεργός ισχύς μένει σταθερή. Πέρα από το μεταβατικό φαινόμενο που διαρκεί περίπου 0.2 sec μετά τη μεταβολή, παρατηρείται ότι το dc ρεύμα μένει σταθερό γύρω από την αρχική τιμή του, χωρίς να επηρεάζεται από την τιμή της διερχόμενης αέργου. Εξαρτάται, επομένως, μόνο από την ενεργό ισχύ. 106

107 Σχήμα 8.5 Η απόκριση του dc ρεύματος για τον 1 ο σταθμό. Σχήμα 8.6 Η απόκριση της ενεργού και αέργου ισχύος για τον 1 ο σταθμό. 107

108 Παρόμοια συμπεράσματα με πριν μπορούν να εξαχθούν τόσο για τις ισχείς όσο και για τα υπόλοιπα μεγέθη. Σχήμα 8.7 Η απόκριση της dc τάσης για τον 1 ο σταθμό. Σχήμα 8.8 Η απόκριση του ac ρεύματος για τον 1 ο σταθμό. 108

109 8.3 Ταυτόχρονες μεταβολές ενεργού-αέργου ισχύος Σε αυτήν την ενότητα μελετάται ο ταυτόχρονος υποδιπλασιασμός της ενεργού και αέργου ισχύος του 1 ου σταθμού σε 0.4 και 0.3 pu, όπως επίσης και μια ήπια ταυτόχρονη αντιστροφή της ισχύος σε -0.2 και -0.1 pu αντίστοιχα. Στόχος ήταν να εξακριβωθεί αν το σύστημα είναι στιβαρό σε διαταραχές οι οποίες εισάγονται ταυτόχρονα στον ορθό και εγκάρσιο άξονα. 109

110 Σχήμα 8.9 Η απόκριση των 3 dc ρευμάτων του θετικού πόλου του καλωδίου. 110

111 Σχήμα 8.10 Οι 3 dc τάσεις για τις δύο περιπτώσεις. Σχήμα 8.11 Η απόκριση της ενεργού και της αέργου ισχύος για την 1 η περίπτωση. 111

112 Σχήμα 8.12 Η απόκριση του ac ρεύματος του 1 ου σταθμού. Σχήμα 8.13 Η απόκριση της ενεργού και της αέργου ισχύος για τη 2 η περίπτωση. 112

113 Διαπιστώνουμε ότι οι ταυτόχρονες μεταβολές ισχύος δεν εισάγουν αξιοσημείωτη διαταραχή στο σύστημα. Αυτό οφείλεται στην ανεξαρτησία ελέγχου των ρευμάτων στον ορθό και εγκάρσιο άξονα. Επομένως, οι ταυτόχρονες διαταραχές δε θα εξεταστούν περισσότερο. 9. Σύνοψη - Συμπεράσματα Σε αυτή τη διπλωματική εργασία διερευνήθηκε η μοντελοποίηση και η μεταβατική απόκριση πολυτερματικών δικτύων συνεχούς ρεύματος με τη χρήση συμβατικής και υπεραγώγιμης διασυνδετικής γραμμής, η οποία υλοποιήθηκε τόσο με το μοντέλο του π-ισοδύναμου, όσο και με διανεμημένες παραμέτρους. Στο κεφάλαιο 1 έγινε σύγκριση μεταξύ της μεταφοράς ισχύος με εναλλασσόμενο και με συνεχές ρεύμα. Παρουσιάστηκαν συνοπτικά τα κυριότερα χαρακτηριστικά της HVDC τεχνολογίας και οι τοπολογίες υλοποίησης των πολυτερματικών δικτύων. Επίσης, αναφέρθηκαν τα πλεονεκτήματα των VSC μετατροπέων έναντι των LCC και της πολυτερματικής διασύνδεσης σε σχέση με την point-to-point. Τέλος, έγινε μια νύξη σχετικά με τη μελλοντική δημιουργία ενός ευρωπαϊκού υπερ-δικτύου. Στο κεφάλαιο 2 δόθηκαν συνοπτικά τα βασικά στοιχεία που διέπουν το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και παρουσιάστηκε η εφαρμογή του στα καλώδια των ηλεκτρικών δικτύων. Στο κεφάλαιο 3 αναλύθηκαν οι κυριότερες στρατηγικές ελέγχου των πολυτερματικών δικτύων με έμφαση στον έλεγχο στατισμού (droop control). Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι αυτός ο τρόπος ελέγχου παρουσιάζει περισσότερα πλεονεκτήματα για την αξιόπιστη και ασφαλή λειτουργία των πολυτερματικών δικτύων. Στο κεφάλαιο 4 επιχειρήθηκε η μοντελοποίηση και η συνοπτική παρουσίαση των στοιχείων των διασυνδετικών γραμμών που συνδέουν στιβαρά εναλλασσόμενα δίκτυα χρησιμοποιώντας μετατροπείς πηγής τάσης (VSC). Ακόμη, παρουσιάστηκαν η ακτινική και η βροχοειδής τοπολογία των μοντέλων των 3 και 4 τερματικών αντίστοιχα. Στο κεφάλαιο 5 επεξηγήθηκε εν συντομία η υλοποίηση του ελέγχου των dc διασυνδετικών γραμμών. 113

114 Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα των προσομειώσεών μας για τα μοντέλα που υλοποιήσαμε στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας. Η απόκριση των συστημάτων μας ήταν σε γενικές γραμμές αρκετά ικανοποιητική. Επισημάνθηκαν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του κάθε μοντέλου και επεξηγήθηκαν οι τυχόν διαφορές στις αποκρίσεις τους, με το μοντέλο των διανεμημένων παραμέτρων να υλοποιεί με πιο ρεαλιστικό τρόπο τον πραγματικό χαρακτήρα της γραμμής. Στο κεφάλαιο 7 δοκιμάστηκε μια σειρά από σφάλματα στο εναλλασσόμενο δίκτυο και αποτυπώθηκε η απόκριση των βασικών μεγεθών της γραμμής. Βασικό ενδιαφέρον παρουσίασαν τα dc μεγέθη, ρεύμα και τάση, διότι από αυτά εξαρτάται άμεσα η κατάσταση υπεραγωγιμότητας του καλωδίου HTS, καθώς και τα ac μεγέθη στα σημεία διασύνδεσης, τα οποία αφενός υπόκεινται σε περιορισμούς από πρότυπα και αφετέρου η σωστή απόκρισή τους συνεπάγεται επιτυχημένη ροή ισχύος από τον ένα σταθμό στον άλλο. Για το μοντέλο των 3 τερματικών διαπιστώσαμε το παράδοξο της καλύτερης απόκρισής του με υπεραγώγιμη διασύνδεση και αναφέραμε τους πιθανούς λόγους για τους οποίους συνέβη αυτό. Στο μοντέλο των 4 τερματικών έγινε εμφανής η αδυναμία του υπεραγώγιμου καλωδίου στην απόσβεση σφαλμάτων. Επίσης, το μονοφασικό σφάλμα προκάλεσε πολύ μικρότερη διαταραχή απ ότι το τριφασικό. Στο κεφάλαιο 8 δοκιμάστηκαν μια σειρά από βηματικές μεταβολές της ισχύος και αποτυπώθηκε η απόκριση των βασικών μεγεθών της γραμμής, η οποία ήταν και πάλι ικανοποιητική. 10. Προτάσεις Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής προέκυψαν ενδιαφέροντα παράπλευρα ζητήματα τα οποία θα είχε νόημα να μελετηθούν εξίσου. Θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο και αναγκαίο η δημιουργία ενός πολυτερματικού δικτύου όπου δεν θα υπάρχουν μόνο στιβαρά δίκτυα (άπειροι ζυγοί) αλλά και αδύναμα δίκτυα όπως επίσης και παθητικά φορτία. Αυτό θα είχε σαν συνέπεια την υλοποίηση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου και την εξέταση της αλληλεπίδρασης με τις ήδη υπάρχουσες. Η υλοποίηση ενός τέτοιου μοντέλου έγινε από την πλευρά μας, 114

115 ωστόσο λόγω έλλειψης χρόνου δεν δοκιμάστηκε επαρκώς ώστε να μπορέσουν να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα. Σχήμα 10.1 Πολυτερματικό δίκτυο με στιβαρά δίκτυα και παθητικά φορτία. Ακόμη, χρήσιμη θα ήταν η υλοποίηση ενός πληρέστερου μοντέλου για το υπεραγώγιμο καλώδιο, του οποίου η μεταβολή της αντίστασης δεν θα εξαρτάται μόνο από τις στιγμιαίες τιμές τάσης και ρεύματος, αλλά θα έχει ένα κατάλληλα επιλεγμένο χρονικό διάστημα «μνήμης». Επιπλέον, ιδιαίτερο ενδιαφέρον θα παρουσίαζε η αντικατάσταση των συμβατικών μετατροπέων πηγής τάσης δύο επιπέδων που υλοποιούνται με δύο εξαπαλμικές γέφυρες, με μετατροπείς τοπολογιών πολλαπλών επιπέδων όπως είναι οι μετατροπείς NPC (Neutral Point Clamped), FCC (Flying Capacitor Converter) και οι MMC (Modular Multilevel Converter). Όσο αυξάνεται ο αριθμός των επιπέδων τόσο μειώνεται το αρμονικό περιεχόμενο αλλά και ο υψίσυχνος θόρυβος. Επίσης, μειώνεται η καταπόνηση των διακοπτικών στοιχείων και απαιτούνται μικρότερα AC φίλτρα. Τέλος, η ύπαρξη πολλών επιπέδων επιτρέπει τη μείωση της διακοπτικής συχνότητας, αφού πλέον το κάθε 115