ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΕΣ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΠΗΓΕΣ STATic var COMpensator (STATCOM) Δρ Ανρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα Προβλήματα FACTS ελεγχόμενων από Thyristor Ελεγχόμενες Σύγχρονες πηγές, αναλογία με τη σύγχρονη μηχανή Στατά συστήματα ελέγχου άεργου ισχύος (STATic ar COMpensators) Ροή άεργου και ενεργού ισχύος Ερμηνεία της - χαρακτηριστικής Μεταφερόμενη ισχύς Σύγκριση καμπύλων ενεργού ισχύος 1
Προβλήματα FACTS ελεγχόμενων από Thyristor Η εγκάρσια χωρητική αντιστάθμιση συνυασμένη με τον επαγωγικό χαρακτήρα του συστήματος έχει ως αποτέλεσμα τον ηλεκτρικό συντονισμό του ικτύου με συχνότητα μεγαλύτερη της θεμελιώους (5Hz), η οποία μπορεί να είναι κοντά στις αρμονικές (3η,5η,7η) του SC αλλά και του ικτύου. Η χωρητική αντιστάθμιση σειράς, έχει ως αποτέλεσμα τον ηλεκτρικό συντονισμό του ικτύου με συχνότητα μικρότερη της θεμελιώους (5Hz), που μπορεί να αλληλεπιράσει με τις μηχανικές ταλαντώσεις των γεννητριών που τροφοοτούν τη γραμμή και να προκαλέσει υποσύγχρονες ταλαντώσεις στο συνολικό σύστημα. Προς αποφυγή των παραπάνω προβλημάτων είτε προστίθενται C φίλτρα στα SC είτε ρυθμίζονται οι βαλβίες των Thyristor στα TCSC. Ελεγχόμενες σύγχρονες πηγές Πρόκειται για ελεγχόμενες σύγχρονες πηγές εναλλασσόμενης τάσης ή ρεύματος (SS/SCS-Synchronous oltage/current Sources) Έχουν πολύ ανώτερη λειτουργικότητα για κάθε είος αντιστάθμισης Εκτός της άεργης αντιστάθμισης, έχουν τη υνατότητα άμεσης ανταλλαγής ενεργού ισχύος με το ίκτυο, εξασφαλίζοντας πιο ευέλικτη ιαχείριση ροής ισχύος και αντιμετώπιση υναμικών ιαταραχών
Αναλογία με τη σύγχρονη μηχανή Η πιθανότητα παραγωγής ελεγχόμενης άεργου ισχύος ευθέως, χωρίς τη χρήση πυκνωτών ή πηνίων αλλά με τη χρήση ιακοπτικών μετατροπέων εφαρμόστηκε το 1976. Οι μετατροπείς παράγουν άεργο ισχύ ανακυκλώνοντας το ρεύμα μεταξύ των φάσεων του συστήματος. Από την πλευρά της παραγωγής άεργου ισχύος η λειτουργία τους είναι παρόμοια με αυτή των σύγχρονων μηχανών, των οποίων η άεργος ισχύς ελέγχεται με το ρεύμα ιέγερσης. Όπως και οι συζευγμένες με μηχανική ενέργεια ηλεκτρικές μηχανές, μπορούν να ανταλλάξουν και ενεργό ισχύ με το σύστημα εάν ιαθέτουν πηγή ενέργειας (συνήθως πηγή DC). Λόγω αυτής της ομοιότητας με τις στρεφόμενες σύγχρονες μηχανές ονομάζονται Στατικές σύγχρονες γεννήτριες (Static Synchronous Generators, SSG). Όταν ένας SSG λειτουργεί χωρίς πηγή ενέργειας για εγκάρσια αντιστάθμιση κατά αναλογία του Συγχρόνου αντισταθμιστή (Synchronous Compensator /Condenser) τότε τον ονομάζουμε Στατικό σύγχρονο αντισταθμιστή (Static Synchronous Compensator) ή STATCOM Πλεονεκτήματα σύγχρονων πηγών Δεν έχει καθόλου αράνεια, η απόκρισή της είναι πρακτικά στιγμιαία, εν αλλάζει σημαντικά τη σύνθετη αντίσταση του ικτύου Εάν το SS χρησιμοποιηθεί αυστηρά για εγκάρσια αντιστάθμιση, η DC πηγή ενέργειας μπορεί να αντικατασταθεί από έναν DC πυκνωτή. Σε αντίθεση με την αντιστάθμιση ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης, η αντιστάθμιση SS είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τις μεταβλητές του ικτύου (ρεύμα, τάση, γωνία) καιμπορείνα ιατηρηθεί σταθερή κατά τη ιάρκεια μεγάλων ιαταραχών στο ίκτυο. Η σύνθετη αντίσταση εξόου σε άλλες συχνότητες θα είναι πρακτικά μηενική. Επομένως με τα SS ε ημιουργείται συντονισμός με το ίκτυο Είναι υνατή η ζεύξη των DC κόμβωνύοήπερισσότερων SSs και επομένως ο καθορισμός ιαρόμων μεταφοράς ισχύος μεταξύ ζυγών ή γραμμών 3
Διάγραμμα λειτουργίας SS Διάγραμμα λειτουργίας STATCOM Το STATCOM είναι μια προέκταση του SC. Βασίζεται σε dc-ac μετατροπείς οι οποίοι παράγουν μια εναλλασσόμενη τάση (ή ρεύμα) από μια συνεχή τάση (ή ρεύμα) συνήθως με τη μέθοο SPWM. Ο μετατροπέας ιατηρεί τον πυκνωτή φορτισμένο στην επιθυμητή τάση. Αυτό επιτυγχάνεται με τις τάσεις εξόου του μετατροπέα να έπονται των τάσεων του ικτύου με μία μικρή γωνία Εάν η παραγόμενη τάση από το STATCOM είναι μικρότερη από την τάση του ζυγού στον οποίο είναι συνεεμένο, τότε το STATCOM συμπεριφέρεται ως επαγωγικό φορτίο απορροφώντας άεργο ισχύ από το σύστημα. Αντίθετα το STATCOM συμπεριφέρεται ως εγκάρσιος πυκνωτής παρέχοντας άεργο ισχύ στο σύστημα, όταν η παραγόμενη τάση από το STATCOM είναι μεγαλύτερη από αυτή του συστήματος 4
Ροή άεργου και ενεργού ισχύος Θεωρώντας ότι το ac ρεύμα ρέει από τον μετατροπέα προς το ίκτυο out και ac είναι οι τάσεις εξόου του μετατροπέα και τάση του ικτύου, ενώ το αντιπροσωπεύει την αυτεπαγωγή ιαρροής του μετασχηματιστή ζεύξης Η ανταλλαγή άεργου ισχύος επομένως: α γωνία μεταξύ τάσης του ζυγού ac συστήματος ac και της τάσης του μετατροπέα out. Η ανταλλαγή ενεργού ισχύος μπορεί να γίνει μεταβάλλοντας τη φάση της τάσης του μετατροπέα out σε σχέση με τη τάση του συστήματος ac Ροή άεργου ισχύος μόνον Φόρτιση πυκνωτή Αποφόρτιση πυκνωτή Ερμηνεία της - χαρακτηριστικής του STATCOM H χαρακτηριστική λειτουργίας -Ι στα άκρα του STATCOM εξαρτάται αποκλειστικά από την τάση και την επαγωγική αντίραση σύζευξης. Η μέγιστη ονομαστική τάση μόνιμης κατάστασης συστήματος είναι 1,1 p.u., εν παρουσιάζει υσκολίες στο σχειασμό του STATCOM και τον καθορισμό των ορίων του.tο STATCOM πρέπει να αντέχει σε υναμικές-μεταβατικές υπερτάσεις. Κατά τη ιάρκεια τέτοιων μεταβατικών συνθηκών, όπου η στιγμιαία εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει την dc τάση της πηγής, οι ίοοι ελεύθερης ιέλευσης του STATCOM επιτρέπουν τη ροή ρεύματος το οποίο φορτίζει τους πυκνωτές της dc πηγής σε μια μεγαλύτερη τάση. Οι περισσότερες πρακτικές εφαρμογές απαιτούν από οποιονήποτε τύπο STATCOM να λειτουργεί με μια ελάχιστη κλίση, που κυμαίνεται μεταξύ % και 5% 5
Ερμηνεία της - χαρακτηριστικής Η επιθυμητή κλίση καθορίζεται από μια ένα κύκλωμα ελέγχου όπου η τάση ελέγχου: Όπου η κλίση ελέγχου: Tο STATCOM εξασφαλίζει χωρητική και επαγωγική αντιστάθμιση, ελέγχει το ρεύμα εξόου στην περιοχή λειτουργίας του και ίνει πλήρες χωρητικό ρεύμα υπό οποιαήποτε τάση ικτύου (πρακτικά και για μηενική) Είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό στη βελτίωση της μεταβατικής ευστάθειας Σύγκριση χαρακτηριστικών - 6
7 Τάση στο μέσο m m 9 / / και r S Οι τάσεις στα άκρα Πηγή ρεύματος Εάν η τάση στο μέσο της γραμμής: mr sm mr sm sm S m mr r m Οι τάσεις: m r S cos / / r S στο μέσο 4 cos cos m m } {cos S } {cos r Μεταφερόμενη ισχύς mr 4 cos } 4 cos { P P P P Sm Sm m S Sm Η μεταφερόμενη ισχύς ) ( O STATCOM P π Παρατηρούμε ότι: ) ( π P SC
Ευστάθεια πολλών μηχανών Σύγκριση καμπύλων ενεργού ισχύος μεταξύ STATCOM-SC 8
Εξομοίωση στο PSCAD STATCOM 6 παλμών Αποτελέσματα εξομοίωσης 9
STATCOM 1 παλμών 1