ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499

Transcript

1 ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΙ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΤΕΣ ΣΕΙΡΑΣ TS, TSS, SSS ρ Ανρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέµατα Ελεγχόµενοι αντισταθµιστές σειράς Τhyristor ontrolled Series apacitors, TS, Thyristor Switched Series ompensators, TSS Ελεγχόµενοι σύγχρονοι αντισταθµιστές σειράς Static Synchronous Series ompensators SSS

2 Στοιχεία του TS Η τιµή της σύνθετης αντίστασης του πυκνωτή ανά φάση κυµαίνεται µεταξύ 10 και 30Ω ενώ του συνεχούς ρεύµατος λειτουργίας µεταξύ 1500 και 3000Α Το ισούναµο κύκλωµα Συχνότητα συντονισµού: 1 ωr ωn L ν Πολλά στοιχεία σε σειρά Αντιστάθµιση TSS, TS Αντιστάθµιση µε πυκνωτές σειράς ελεγχόµενους από Thyristor Thyristor Switched Series ompensator, TSS οβαθµός αντιστάθµισης ελέγχεται µεαύξησηή µείωση του αριθµού των βαθµίων των πυκνωτών. Αυτό επιτυγχάνεται µε είσοοήπαράκαµψη κάθε πυκνωτή µέσω της βαλβίας ιακόπτη Thyristor Αντιστάθµιση µε πηνίο ελεγχόµενο από Thyristor παράλληλα µε πυκνωτή σειράς Thyristor controlled Series ompensation, TS H αγωγιµότητα του TR είναι µικρότερη από του παράλληλου πυκνωτή και ο βαθµός αντιστάθµισης µεγαλώνει µικραίνει µε αύξησηµείωση του χρόνου αγωγής

3 Καταστάσεις λειτουργίας TS Κατάσταση αποκοπής Thyristor blocked mode Όταν εν έχει οθεί παλµός έναυσης µεταξύ πύλης και καθόου του Thyristor και αυτό βρίσκεται σε µη-αγώγιµη κατάσταση ή αλλιώς στην περιοχή αποκοπής Τάση πυκνωτή: U L Παράλληλη συµπεριφορά Thyristor bypasd mode Όταν έχει οθεί παλµός έναυσης στο Thyristor και αυτό είναι συνέχεια µαναλωµένο, τότε το TS συµπεριφέρεται ως ένα κύκλωµα παράλληλης συνεσµολογίας πηνίου και πυκνωτή Η τάση ωr U L όπου λ λ 1 ωn ν Λογικές τιµές της παραµέτρου λ είναι αυτές που κυµαίνονται µεταξύ και 4 Χωρητική και επαγωγική λειτουργία Thyristor vernier mode Αντίραση του TS ΗλειτουργίατουTS εξαρτάται από την τιµή της επαγωγικής αντίρασης U 1 L1 U app m{ 1 L1 - Άνυσµα θεµελιώους αρµονικής συνιστώσας της τάσης του πυκνωτή - Άνυσµα της θεµελιώους αρµονικής συνιστώσας της έντασης του ρεύµατος της γραµµής στη συχνότητα λειτουργίας Παράγοντας ενίσχυσης: K B app app Η αντίραση του TS: TS + 1+ K app B

4 Τάση και ένταση για συµπεριφορά αποκοπής Ητάση όπου U < 0 L Σε αυτή την περιοχή λειτουργίας το TS συµπεριφέρεται ως ένας σταθερός πυκνωτής, µε ένα παράγοντα ενίσχυσης κέρος ίσο µε τηµονάα Τάση και ένταση για παράλληλη συµπεριφορά Ητάση U L < λ 1 0 Η τάση είναι επαγωγικής µορφής και το κέρος αρνητικό K B 1 λ 1 Το ρεύµα πουπερνάαπότον κλάο του Thyristor είναι ελάχιστα µεγαλύτερο από το ρεύµα γραµµής Υπάρχει και το ρεύµα που προέρχεται ή κατευθύνεται από προς τον πυκνωτή. Όταν η τιµή του λ είναι αισθητά µεγαλύτερη από τη µονάα η τάση του πυκνωτή για συγκεκριµένο ρεύµα γραµµής είναι πολύ µικρότερη στην παράλληλη λειτουργία απ ότι στη λειτουργία αποκοπής. Επιθυµούµε τη λειτουργία του TS σε αυτήν την περιοχή - µειώνουµε τη καταπόνηση των πυκνωτών µετά από σφάλµατα

5 Χωρητική, επαγωγική συµπεριφορά Εάν οθεί ένας παλµός έναυσης στο Thyristor το οποίο είναι ορθά πολωµένο, λίγο πριν η τάση του πυκνωτή περάσει από το µηέν, ένας παλµός ρεύµατος θα εµφανισθεί στον κλάο του πηνίου. Οπαλµός του ρεύµατος εκφόρτισης προστίθεται στο ρεύµα γραµµής ιαµέσου του πυκνωτή ή συστοιχίας πυκνωτών. Προκαλεί µε τησειράτουµια τάση στον πυκνωτή η οποία προστίθεται στην τάση που προκλήθηκε από το ρεύµα γραµµής. Για αυτό το λόγο η µέγιστη τάση του πυκνωτή θα αυξηθεί ανάλογα µε τοφορτίο που περνάει ιαµέσου του κλάου του θυρίστορ MO:Metal Oxide aristor Χωρητική, επαγωγική συµπεριφορά Το φορτίο εξαρτάται αρχικά από τη γωνία αγωγιµότητας, β, και από την παράµετρο λ. Εάν αγνοειθούν οι απώλειες και υποθέτοντας ότι η ένταση του ρεύµατος γραµµής έχει ηµιτονοειή µορφή: K B 1 λ cos β β + { λ tan λβ tan β β π λ 1 λ 1 β Το TS συµπεριφέρεται επαγωγικά, όταν το ρεύµα του κλάου του Thyristor είναι µεγαλύτερο από το ρεύµα της γραµµής. Η µαθηµατική έκφραση για τον παράγοντα ενίσχυσης είναι η ίια µε εκείνη της χωρητικής συµπεριφοράς

6 Εξάρτηση του παράγοντα Κ β Η ύπαρξη του παράγοντα, tanλβ, έχει ως αποτέλεσµα ησχέσηκ β να έχει µια ασύµπτωτη π β TS λειτουργεί για 0 < β < β λ Εξάρτηση του παράγοντα Κ β για χωρητική και επαγωγική λειτουργία σαν συνάρτηση της γωνίας αγωγιµότητας β για µια συγκεκριµένη τιµή της παραµέτρου λ λ,5 Όρια λειτουργίας TS Το κυρίως κύκλωµα τουts είναι σχειασµένο για µια µέγιστη τάση πυκνωτή, η οποία καθορίζει το µέγιστο παράγοντα ενίσχυσης για µια συγκεκριµένη τιµή του ρεύµατος γραµµής. ιαφορετικά µπαίνουν χρονικοί περιορισµοί. Λειτουργικά όρια ιακοπτών χρόνοι έναυσης, ρεύµατα Θερµικά όρια Όρια προστασίας

7 Τάση ισχύς στο µέσο ιάνυσµα αναφοράς + κάθετο στο {cos {cos S + r Το τρίγωνο ΟΑΒ είναι ισοσκελές, mείναι µεσοκάθετος στην πλευρά ΑΒ και ιχοτόµος της γωνίας ΟẬΒ S r 1 k 1 k S + m αφαιρώντας κατά µέλη m + S + r r m cos Η ισχύς στο µέσο P m 1 k Η άεργος ισχύς που ίνει ο πυκνωτής Q s k 1 k 1 cos Ισχύς στην αναχώρηση και άφιξη Η µιγαική ισχύς στην αναχώρηση SS PS + QS S {cos + 1 k cos 1 k + 1 k SS + 1 cos 1 k 1 k Η µιγαική ισχύς στην άφιξη > PS 1 k QS 1 cos 1 k S P + Q r cos 1 k Sr 1 k r r r {cos 1 k 1 k 1 k 1 cos > P Pr 1 k Qr 1 k 1 cos

8 Μεταφερόµενη ισχύς και άεργος ισχύς από το πυκνωτή για γωνίες Όσο το k τείνει προς τη µονάα ιανική περίπτωση τόσο αυξάνεται το όριο στατικής ευστάθειας Pmax Για κάθε τιµή τουk το όριο στατικής ευστάθειας γραµµής µε TS είναι µεγαλύτερο από το όριο στατικής ευστάθειας γραµµής χωρίς αντιστάθµιση. Γενικά το TS προστίθεται σε σειρά στη γραµµή, µε αποτέλεσµα µια τάση αντισταθµίσεως, η οποία αυξάνει την τάση κατά µήκος της γραµµής, επηρεάζοντας το ρεύµα τηςγραµµής και τη µεταφερόµενη ισχύ. Συµπερασµατικά, η αντιστάθµιση σειράς είναι συνάρτηση του ρεύµατος γραµµής Τάσεις και ρεύµατα

9 Κυµατοµορφέςγιαιάφορεςγωνίες Αντιστάθµιση σειράς µεσύγχρονες πηγές τάσης ή ρεύµατος Ηβαθµία του SSS περιέχει µετατροπέα πηγής τάσεως oltage Source onverter S µε ηµιαγωγικά στοιχεία, τα οποία είναι συνήθως GTO thyristors Το τύλιγµα του µετασχηµατιστή που συνέεται σε σειρά µε τηγραµµή, συνέει το S σε σειρά µε τηγραµµή µεταφοράς Η αντιστάθµιση σειράς µε σύγχρονες πηγές τάσης ή ρεύµατος SSS-Series Synchronous Static ompensator αποτελούµενες από ηµιαγωγικά στοιχεία, έχει τη υνατότητα να ιατηρεί µια σταθερή εγχεόµενητάσηαντιστάθµισης, ή να µεταβάλει το µέτρο της, ανεξάρτητα από το µέτρο του ρεύµατος της γραµµής

10 Σύγχρονη αντιστάθµιση σε σειρά, ισούναµη µε ένα πυκνωτή Εάν εγχύσουµε µια τάση, στη θεµελιώη συχνότητα, σε σειρά µε τηγραµµή καιη τάση αυτή έπεται κατά 90 o του ρεύµατος γραµµής και έχει πλάτος ανάλογο µε το πλάτος του ρεύµατος, τότε πετυχαίνουµε αντιστάθµιση σε σειρά, η οποία είναι ισούναµη µε ένα πυκνωτή συνεεµένο σε σειρά µε τηγραµµή στη θεµελιώη συχνότητα k εγχεόµενη τάση αντιστάθµισης k 0 < k < 1 k : ποσοστό αντιστάθµισης Αυξοµείωση ισούναµης σύνθετης αντίστασης Για χωρητική αντιστάθµιση, το ιάνυσµα τηςεγχεόµενης τάσης εξόου έπεται του ρεύµατος γραµµής κατά Με απλό έλεγχο όµως, το ιάνυσµα τάσεωςεξόου µπορεί να προπορεύεται του ρεύµατος γραµµής κατά Στην περίπτωση αυτή, η εγχεόµενη τάση µειώνει την τάση κατά µήκος της επαγωγικής αντίρασης της γραµµής, που έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση της ισούναµης σύνθετης αντίστασης της γραµµής Εγχεόµενη τάση: ± ζ ζ -µέτρο της εγχεόµενης τάσης αντιστάθµισης

11 Λειτουργία του SSS Το µέτρο και η γωνία της τάσης εξόου µεταβάλλονται µε τέτοιο τρόπο ώστε να επηρεάζουν τη ροή ισχύος στη γραµµή µεταφοράς. Η µετατόπιση της ιαφοράς φάσης µεταξύ της εγχεόµενης τάσης και του ρεύµατος της γραµµής καθορίζει την ανταλλαγή ενεργού και άεργου ισχύος µε το σύστηµα p Τάση στον SSS ιάνυσµα αναφοράς 0 0 ζ m Από 1 ή το Κάθετο στο {cos / S + ξέρουµε {cos / r Ητάση: r S + {cos { {cos ζ m + { { { {cos {cos ζ ζ ζ ζ m m m m / ζ m

12 Ισχύς στον SSS / Η µιγαική ισχύς S r Pr + Qr r {cos r ζ m cos 1 cos ζ ζ ζ ζ m m m m S r 1 cos ζ ζ m m εποµένως Pr Qr 1 cos ζ ζ m m Με άλλο τρόπο εφαρµόζουµε τονόµο τάσεωντουkirchhoff για το κύκλωµα και παίρνουµε ± ζ ζ Pr ± cos ζ Qr 1 cos m ιάγραµµα τάσεων κατά την αντιστάθµιση σειράς µε SSS θεωρούµε ότι οι απώλειες του SSS είναι µηενικές και για το λόγο αυτό η εγχεόµενη τάση είτε προπορεύεται είτε έπεται κατά 90 ο του ρεύµατος γραµµής Ηεγχεόµενητάσηείναισεφάσηµε την πτώση τάσης που αναπτύσσεται κατά µήκος της αντίρασης της γραµµής και για αυτό η σειριακή αντιστάθµισηέχειτοίιοαποτέλεσµα µε αυτό που επιτυγχάνεται µε αύξηση της αντίρασης της γραµµής Εάν p Line Η ροή ισχύος θα αντιστραφεί το οποίο πρακτικά εν χρησιµοποιείται

13 Χαρακτηριστική - του SSS Το SSS µπορεί να ιατηρήσει τη µέγιστη χωρητική ή επαγωγική τάση λειτουργίας, ακόµα και όταν το ρεύµα γραµµής είναι µηενικό Πρακτικά, το ελάχιστο ρεύµα γραµµήςείναιεκείνογιατοοποίοητάσητουπυκνωτή µπορεί να ιατηρηθεί σε ικανοποιητικό επίπεο ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ισχύς για την κάλυψη των απωλειών. Εάν λάβουµε υπόψη µας την πτώση ή ανύψωση τάσης κατά µήκος της αντίρασης του µετασχηµατιστή, τότε η καµπύλη που περιγράφει την - χαρακτηριστική είναι αυτή µε τις ιακεκοµµένες γραµµές Ανταλλαγή ισχύος Ο υπολογισµός της ενεργού και άεργου ισχύος που ανταλλάσσονται µεταξύ του SSS και της γραµµής µεταφοράς : P p Q p p p Line Line cosφ φ όπου φ είναι η γωνία µεταξύ της εγχεόµενης τάσης του SSS και του ρεύµατος της γραµµής µεταφοράς Λαµβάνοντας υπόψη ότι η γωνία µεταξύτηςτάσηςεξόουτουsss και του ρεύµατος γραµµής είναι περίπου 90 0, φαίνεται ότι η ενεργός ισχύς του SSS είναι µικρή, συγκρινόµενη µε τηνάεργοισχύ, είναι φυσικό αφού καλύπτει τις απώλειες: P P + P p dc Απώλειες στα τυλίγµατα του µετασχηµατιστή και στις βαλβίες των Thyristor loss

14 Καµπύλες ενεργού ισχύος P- TS, SSS Ο πυκνωτής σειράς TS αυξάνει τη µεταφερόµενη ισχύ µε ένα σταθερό ποσοστό της µεταφερόµενης ισχύος από την αντισταθµισµένη γραµµή στηνίια γωνία Ο SSS αυξάνει ή µειώνει τη µεταφερόµενη ισχύ µε ένα σταθερό ποσοστό της µέγιστης µεταφερόµενης ισχύος από την αντισταθµισµένη γραµµή, ανεξάρτητα από τη γωνία, στη σηµαντική περιοχή τιµών π 0