Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Σακκά Σωτήρη 6628 Θέμα «Ανάλυση Συστήματος Μεταφοράς με Διασύνδεση Σ.Ρ. και PWM Ρυθμιζόμενους Μετατροπείς» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2012 i

ii

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάλυση Συστήματος Μεταφοράς με Διασύνδεση Σ.Ρ. και PWM Ρυθμιζόμενους Μετατροπείς» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σακκά Σωτήρη Αριθμός Μητρώου:6628 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../10/2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής iii

iv

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάλυση Συστήματος Μεταφοράς με Διασύνδεση Σ.Ρ. και PWM Ρυθμιζόμενους Μετατροπείς» Φοιτητής: Σακκάς Σωτήρης Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Περίληψη Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να διαδίδεται με γρήγορους ρυθμούς η μέθοδος μεταφοράς ισχύος μέσω συνεχούς ρεύματος. Προς αυτή την κατεύθυνση ώθηση έδωσε η ανάπτυξη νέων ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων οδηγώντας σε περεταίρω ανάπτυξη και χρήση των συστημάτων μεταφοράς με συνεχές ρεύμα. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία μελετάται ένα σύστημα μεταφοράς ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (HVDC), που συνδέεται ανάμεσα σε δυο εναλλασσόμενα ηλεκτρικά δίκτυα με και χωρίς φορτίο. Την διασύνδεση συνεχούς ρέματος πραγματοποιούν δυο back-to-back AC/DC μετατροπείς VSC, που αναλαμβάνουν τους ρόλους του ανορθωτή και του αντίστροφα ισχύος. Οι μετατροπείς χρησιμοποιούν την διαμόρφωση πλάτους παλμού PWM. Αρχικά μελετάται θεωρητικά το μοντέλο των μετατροπέων και του back-to-back HVDC συστήματος και στην συνέχεια σχεδιάζεται και αναλύεται η λειτουργία του ανάμεσα σε δυο δίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος με ή χωρίς την ταυτόχρονη παρουσία φορτίου. Τέλος προσομοιώνεται το σύστημα μέσω του λογισμικού Matlab και συγκεκριμένα της εφαρμογής Simulink για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Abstract In the past few years the method of power transmission by means of direct current has expanded rapidly. To this direction a push forward has been given by the development of new semi-conductive switching valves leading to a further development of transmission systems by direct current. In this thesis what is considered is a power transmission system via direct current HVDC connected between two AC electric networks with or without load. The direct current connection is achieved through back-to-back AC/DC converters VSC which undertake the role of rectifier and that of inverter of power. The converters use the Pulse Width Modulation (PWM). At first the converter model and the back-to-back HVDC system is theoretically approached and in the process what is designed and analyzed is its function between two networks of AC current with or without the simultaneous presence of load. Finally the system is simulated through software Matlab and specifically the application of simulink in order to draw conclusions v

vi

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Αντώνη Αλεξανδρίδη για την καθοδήγηση του κατά την διάρκεια εκπόνησης αυτής της διπλωματικής εργασίας. Επίσης πραγματικά ένα μεγάλο ευχαριστώ στους διδακτορικούς φοιτητές Γιώργο Κωνσταντόπουλο και Μιχάλη Μπουρδούλη για την υπομονή τους και την αμέριστη και μεγάλη βοήθεια που μου προσέφεραν σε όλα τα στάδια εκπόνησης της εργασίας με τις υποδείξεις,τις συμβουλές και τις παροτρύνσεις τους. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την υποστήριξη της σε όλη την διάρκεια της φοιτητικής μου σταδιοδρομίας. vii

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τα HVDC συστήματα παραδοσιακά χρησιμοποιούνται για την μεταφορά ισχύος σε μεγάλες ποσότητες σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ πολλές φορές χρησιμοποιούνται και σε εφαρμογές ελέγχου. Στα κλασσικά συστήματα μεταφοράς με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος δεν μπορεί να γίνει έλεγχος της άεργου ισχύος. Ωστόσο η πρόοδος στον τομέα των ημιαγωγών και του εξοπλισμού ελέγχου οδήγησε στην δημιουργία των VSC(voltage source converters) μετατροπέων που αντικατέστησαν τους κλασσικούς μετατροπείς των HVDC συστημάτων και με την χρήση της διαμόρφωσης παλμών PWM επιτρέπουν ταχύτερο, αποδοτικότερο και αποτελεσματικότερο έλεγχο της ενεργού και της άεργου ισχύος. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία ασχολούμαστε με τα συστήματα μεταφοράς ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος, η όποια υλοποιείται από VSC μετατροπείς. Αναλυτικότερα Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια παρουσίαση των HVDC συστηματων, των πλεονεκτημάτων τους για την μεταφορά ισχύος, της λειτουργίας τους καθώς και των εφαρμογών στις οποίες βρίσκουν χρήση. Επιπλέον γίνεται αναφορά στα διάφορα ειδή μετατροπέων που χρησιμοποιούνται καθώς και στα επιμέρους στοιχεία εξοπλισμού με τα όποια εφοδιάζουμε τα HVDC συστήματα. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται τα HVDC συστήματα που χρησιμοποιούν VSC μετατροπείς. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα αυτών των μετατροπέων, οι διαφορές τους με άλλους μετατροπείς καθώς και η χρήση της μεθόδου PWM. Επιπλέον αναλύεται η λειτουργία τους στην μεταφορά ισχύος. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται και αναλύεται εκτενώς το μαθηματικό μοντέλο του VSC μετατροπέα όταν εφαρμόζεται σε ένα ισχυρό δίκτυο, δηλαδή όταν χρησιμοποιείται ως ελεγκτής ενεργού/άεργου ισχύος και ως ελεγκτής της DC διασύνδεσης και της άεργου ισχύος. Μελετώνται διαφορές στρατηγικές ελέγχου, καταστρώνεται το πλήρες μαθηματικό μοντέλο ελέγχου, παρουσιάζονται όλα τα επιμέρους μέρη του συστήματος ελέγχου και σχεδιάζονται οι PI ελεγκτές με τους οποίους υλοποιείται ο έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται και αναλύεται το μοντέλο του συστήματος που θέλουμε να μελετήσουμε δηλαδή του back-to back HVDC συστήματος που συνδέεται ανάμεσα σε δυο ηλεκτρικά δίκτυα. Με βάση την ανάλυση του κεφαλαίου 3, καταστρώνεται το συνολικό μοντέλο ελέγχου τόσο για λειτουργία με φορτίο όσο και για λειτουργία χωρίς φορτίο και σχεδιάζονται οι PI ελεγκτές που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι παράμετροι και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του στέατος που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4, ενώ εξάγονται και τα συμπεράσματα που πρόεκυψαν. Τέλος παρατίθεται η χρησιμοποιούμενη βιβλιογραφία και επισυνάπτεται ο κώδικας του Matlab που χρησιμοποιήθηκε σε CD. viii

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... vii ΠΡΟΛΟΓΟΣ... viii ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΑ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Εισαγωγή... 1 1.2 Μεταφορά ισχύος με ac ρεύμα... 1 1.3Μεταφορά με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης... 2 1.4 Τύποι διασυνδέσεων των HVDC Συστημάτων... 3 1.5 Δομή ενός HVDC συστήματος... 5 1.5.1 HVDC Μετατροπείς... 6 1.5.2 Μετασχηματιστές... 9 1.5.3 Φίλτρα αρμόνικων της AC-πλευράς... 9 1.5.4 DC Φίλτρα... 10 1.5.5 HVDC καλώδια και εναέριες γραμμές... 10 1.5.6 Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης... 11 1.6 Έλεγχος των κλασσικών HVDC συστημάτων... 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ VSC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ 2.1 Εισαγωγή... 13 2.2 Πλεονεκτήματα-εφαρμογές... 14 2.3 Περιγραφή... 16 2.3.1 Δομή του συστήματος... 16 2.3.2 Μετατροπείς... 17 2.3.3 Φασικές επαγωγικές αντιδράσεις... 19 2.3.4 Φίλτρα αρμονικών (AC φίλτρα)... 19 2.3.4.1 Επεξήγηση... 19 2.3.5 Πυκνωτές της DC πλευράς του μετατροπέα... 21 ix

2.3.6 DC καλώδια... 22 2.4 Λειτουργία... 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ VSC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3.1 Εισαγωγή... 26 3.2 Επιλογή Συστήματος Αναφοράς... 27 3.3 Η δομή ενός VSC μετατροπέα με συχνότητα επιβαλλόμενη από το δίκτυο... 27 3.4 Ελεγκτής πραγματικής/άεργου ισχύος... 29 3.4.1Επιλογή μεθόδου ελέγχου... 29 3.4.2 Δυναμικό μοντέλο του ελεγκτή... 31 3.4.3 Ο μηχανισμός συγχρονισμού PLL... 33 3.4.3.1 Μοντέλο και βρόχος ελέγχου του PLL... 33 3.4.3.2 Σχεδίαση του H(s)... 35 3.4.4 Παράγωγη σημάτων αναφοράς για τον ελεγκτή ενεργού άεργου ισχύος0... 36 3.4.5 Διαγράμματα και βρόγχοι ελέγχου του VSC μετατροπέα... 38 3.4.6 Επιλογή του επιπέδου της DC τάσης... 41 3.4.7 PWM με έγχυση τρίτης αρμονικής... 44 3.4.8 Διάγραμμα εξισορρόπησης τάσης... 45 3.5 Ο ελεγκτής της DC διασύνδεσης... 47 3.5.1 Το μοντέλο του ελεγκτή της DC διασύνδεσης... 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 TΟ BACK-TO-BACK HVDC ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΣΧΥΟΣ 4.1 Εισαγωγή... 50 4.2 Το Back-to-back VSC-HVDC Σύστημα... 51 4.2.1 Το μοντέλο του συστήματος των Back-to-back μετατροπέων... 52 4.2.2 Το μοντέλο του εναλλασσομένου δικτύου και των μετασχηματιστών. 54 4.3 Ο Έλεγχος του back-to-back HVDC συστήματος... 56 x

4.4 Το σχήμα ελέγχου με PI ελεγκτές... 60 4.4.1 Δημιουργία Σημάτων Αναφοράς... 61 4.5 Το back-to-back HVDC σύστημα με σειρά συνδεδεμένο φορτίο ανά φάση... 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΣΥΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 5.1 Εισαγωγή... 68 5.2 Προσομοίωση της λειτουργίας του back-to- back HVDC συστήματος μεταφοράς ισχύος χωρίς φορτίο... 68 5.3 Προσομοίωση του back-to-back HVDC συστήματος μεταφοράς ισχύος με φορτίο στο ένα άκρο... 82 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 90 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 92 xi

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΑ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Εισαγωγή Τα συστήματα ισχύος υψηλής τάσης με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (highvoltage, direct current HVDC) είναι μια τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος τα όποια χρησιμοποιούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ισχύος για να επιτελέσουν διάφορες λειτουργίες. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν συνεχές ρεύμα (DC) για την μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος σε αντίθεση με τα κοινά συστήματα μεταφοράς ισχύος που χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον εναλλασσόμενο ρεύμα. Αποτελούν έναν ευέλικτο και αποτελεσματικό τρόπο για την μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις τόσο με εναέριες όσο και υπόγειες ή υποβρύχιες γραμμές μεταφοράς. Η πρώτη μεταφορά με συνεχές ρεύμα επετεύχθη το 1954 όταν εγκαινιάστηκε η πρώτη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος μεταξύ της Ηπειρωτικής Σουηδίας και της νήσου Gotland. Ήταν μια μονοπολική διασύνδεση με υποβρύχιο καλώδιο μέσω της βαλτικής θάλασσας μήκους 100 km, τάσης 100 kv και ισχύος 20 ΜW. Οι διασυνδέσεις συνεχούς ρεύματος αυξάνονται όλο και περισσότερο παγκοσμίως. Στην Ελλάδα από το 2002 βρίσκεται σε λειτουργία μια dc διασύνδεση με την Ιταλία μήκους 270 km, 400 kv και 500 ΜW. Μέχρι πρόσφατα η μεταφορά HVDC ήταν βασισμένη στα θυρίστορ (παραδοσιακά ή κλασσικά HVDC) και χρησιμοποιείται για την μετατροπή από εναλλασσόμενο σε συνεχές και αντίστροφα. Με την πρόοδο στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος αντικαθίστανται πλέον τα θυρίστορ στην μετατροπή της ισχύος με ημιαγωγούς IGBT s και οι μετατροπείς είναι πλέον μετατροπείς εξαναγκασμένης μεταγωγής (VSC s) που χρησιμοποιούν PWM διαμόρφωση επιτρέποντας τους να λειτουργήσουν σε υψηλές συχνότητες. 1.2 Μεταφορά ισχύος με ac ρεύμα Ιστορικά στα πρώτα ηλεκτρικά συστήματα χρησιμοποιήθηκε συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα Το πρώτο πλήρες ηλεκτρικό σύστημα που δημιουργήθηκε και εγκαταστάθηκε από τον Thomas Edison στην Νέα Υόρκη, ήταν ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος που λειτουργούσε υπό τάση 110 V. Ωστόσο γρήγορα αντικαταστάθηκαν με τα συστήματα εναλλασσομένου τριφασικού ρεύματος λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Κυριότερο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα που παρέχουν με την χρήση μετασχηματιστών να μεταβάλλουν εύκολα τα επίπεδα της τάσης της ηλεκτρικής ισχύος, επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη παράγωγη, μεταφορά και διανομή της ηλεκτρικής. Επιπλέον οι γεννήτριες και οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος είναι απλούστερες και φθηνότερες από τις αντίστοιχες συνεχούς ρεύματος. 1

Παρά την επικράτηση τους τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσομένου ρεύματος, υπάρχουν τεχνικοί λόγοι που επιβάλλουν περιορισμούς στην μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος με εναλλασσόμενο ρεύμα: Καλώδια μεταφοράς: Τα καλώδια έχουν πολύ μεγάλη χωρητικότητα σε σχέση με τις κλασσικές γραμμές μεταφοράς. Έτσι όταν η μεταφορά ενέργειας γίνεται με εναλλασσόμενο ρεύμα τα χωρητικά ρεύματα διαρροής που δημιουργούνται και οι απώλειες που τα συνοδεύουν καθιστούν ακόμα και για αποστάσεις της τάξεως των 50 km, την μεταφορά ισχύος με AC ρεύμα απαγορευτική. Η χρησιμοποίηση άεργων αντισταθμιστών αυξάνει δραματικά το κόστος και είναι άβολη για περιπτώσεις υποβρύχιων καλωδίων. Διατήρηση της ευστάθειας: η ανάγκη για διατήρηση της ευστάθειας επιβάλλει έναν πολύ σημαντικό περιορισμό ως προς την απόσταση μέχρι την όποια μπορεί να μεταφερθεί η ισχύς με εναλλασσόμενο ρεύμα. Όσο αυξάνει η απόσταση μεταφοράς και συνεπώς το μήκος της γραμμής μεταφοράς τόσο μεγαλώνει και η χωρητικότητα της γραμμή με αποτέλεσμα την μείωση του πόσου ισχύος που μπορεί να μεταφερθεί υπό εναλλασσόμενο ρεύμα. Ασυγχρόνιστα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος: η μεταφορά με εναλλασσόμενο ρεύμα ανάμεσα σε δυο διασυνδεδεμένα συστήματα είναι δυνατή μόνο όταν τα συστήματα αυτά έχουν την ίδια ονομαστική συχνότητα και λειτουργούν συγχρονισμένα. 1.3 Μεταφορά με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης Στα παραπάνω προβλήματα λύση έρχεται να δώσει η μεταφορά με συνεχές ρεύμα (HVDC). Η μεγάλη ανάπτυξη που γνωρίζουν τα τελευταία χρόνια οφείλεται στην ραγδαία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος και στην ανάγκη για αποτελεσματικότερη και μεγαλύτερη μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος. Με τη μεταφορά με dc ρεύμα : δεν προκύπτει πρόβλημα ευστάθειας και συνεπώς δεν υπάρχουν περιορισμοί απόστασης τόσο για εναέριες όσο και για υποβρύχιες γραμμές μεταφοράς. μπορεί να διασυνδεθούν δυο συστήματα τα όποια λειτουργούν υπό διαφορετική συχνότητα ή έχουν διαφορετικά συστήματα ελέγχου, επιτρέποντας τις ανταλλαγές ισχύος ανάμεσα στα δίκτυα, την συνεργασία τους κλπ. υπάρχει δυνατότητα αύξησης της σταθερότητας του συστήματος εναλλασσόμενου ρεύματος λόγω της ικανότητας τους να χειρίζονται μεγάλα ποσά ισχύος σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. η ροη και η πολικότητα της ηλεκτρικής ισχύος μπορούν να αλλάξουν ταχύτατα (στα VSC HVDC συστήματα). 2

χρησιμοποιούνται σαν ασπίδα προστασίας ανάμεσα στα διασυνδεδεμένα συστήματα εμποδίζοντας τις σειριακές διαταραχές που εμφανίζονται στο ένα να διαδοθούν στο άλλο. η ανάγκη για την εξεύρεση δρόμων για την όδευση νέων γραμμών μεταφοράς είναι πολύ μικρότερη για τα συστήματα με διασύνδεση συνεχούς από ότι με τη σύνδεση AC, για την ίδια ποσότητα ισχύος. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι μικρότερες με συνέπεια τα HVDC συστήματα να είναι ευκολότερο να λάβουν άδεια να κατασκευαστούν. μικρές απώλειες ισχύος. Ο κάθε σταθμός μετατροπής έχει απώλειες της τάξεως των 0,6% ενώ ο DC αγωγός έχει απώλειες της τάξεως των 0,3-0,4% ανά 100 km. 1.4 Τύποι διασυνδέσεων των HVDC Συστημάτων: Μονοπολική διασύνδεση Στην μονοπολική διασύνδεση, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.1 οι δύο μετατροπείς συνδέονται µε έναν µόνο αγωγό. Συνήθως, ως αγωγός επιστροφής χρησιμοποιείται η γη ή η θάλασσα. Υπάρχουν όμως και μερικές περιοχές, όπου οι συνθήκες δεν επιτρέπουν αυτού του είδους την επιστροφή. Τέτοιες είναι πυκνοκατοικημένες περιοχές ή περιοχές µε υψηλή αντίσταση εδάφους. Έτσι, λοιπόν, σε αυτές τις περιπτώσεις έχουμε σαν επιστροφή έναν μεταλλικό αγωγό. Σχήμα 1.1: Μονοπολική Διασύνδεση HVDC ιπολική διασύνδεση Είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη διασύνδεση και αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως στις περιπτώσεις όπου έχουµε συστήματα εναέριων γραμμών. Στην διπολική διασύνδεση συνδυάζονται δύο μονοπολικά συστήματα άρα έχουμε τη χρήση δύο αγωγών, εκ των οποίων ο ένας λειτουργεί µε τάση θετικής πολικότητας και ο άλλος µε τάση αρνητικής πολικότητας.. Σχήμα 1.2: Διπολική Διασύνδεση HVDC 3

Back-to-Back διασύνδεση Ο τύπος αυτός χρησιμοποιείται στην περίπτωση όπου θέλουμε να συνδέσουμε δύο AC δίκτυα, τα οποία βρίσκονται στην ίδια τοποθεσία ή μέσα στον ίδιο υποσταθμό και είναι ασύγχρονα. Στην Back-to-Back διασύνδεση (σχ.1.3) δεν χρησιμοποιείται γραμμή ή καλώδιο µμεταφοράς ανάμεσα στους μετατροπείς. Τα δυο διασυνδεδεμένα ac συστήματα μπορεί να έχουν την ίδια, ή διαφορετική ονομαστική συχνότητα. Σχήμα 1.3: Back-to-back HVDC Ομοπολική διασύνδεση Στην ομοπολική διασύνδεση δυο ή περισσότεροι αγωγοί της ίδιας πολικότητας συνήθως αρνητικής, πάντα λειτουργούν με επιστροφή τη γη. Κάθε αγωγός δρα ως ένα ανεξάρτητο κύκλωμα. Σε περίπτωση σφάλματος του ενός αγωγού ο άλλος αγωγός μπορεί να παρέχει ισχύ περισσότερη από το μισό της ονομαστικής με επιστροφή πάντα τη γη. Αυτό όμως είναι και το μεγαλύτερο μειονέκτημα. Σχήμα 1.4: Ομοπολική διασύνδεση HVDC Πολυτερµατικά συστήματα (Multi-Terminal) Σε περίπτωση όπου τρεις ή περισσότεροι HVDC υποσταθµοί γεωγραφικά απομακρυσμένοι, συνδέονται μεταξύ τους µε γραμμές μεταφοράς ή καλώδια, το HVDC σύστημα μεταφοράς θεωρείται πολυτερματικό (multi-terminal). Οι επιπλέον σταθµοί που υπάρχουν µπορούν να συνδέονται είτε παράλληλα µε τους ήδη υπάρχοντες, οπότε έχουµε το παράλληλο πολυτερµατικό σύστηµα DC (σχ.1.6), είτε σε σειρά, οπότε το σύστηµα είναι σειριακό πολυτερµατικό σύστηµα DC (σχ. 1.5). Επιπλέον, στο παράλληλο πολυτερματικό σύστηµα DC όλοι οι υποσταθµοί συνδέονται στη ίδια τάση και η σύνδεση µπορεί να γίνει είτε ακτινικά (parallelconnected radial Multi-Terminal), είτε σε πλέγμα (Parallel-connected meshtype MTDC). Επιπροσθέτως, είναι δυνατός ο συνδυασμός ενός παράλληλου και ενός σειριακού ΜΤDC και τότε σε αυτήν την περίπτωση το σύστηµα που προκύπτει 4

καλείται υβριδικό πολυτερµατικό DC. Τα αρχικά ΜΤDC συστήµατα προέκυψαν από την επέκταση ήδη υπαρχόντων συμβατικών συστημάτων µε δύο τερματικά. Σχήμα 1.5 : Πολυτερματικό σειριακό HVDC σύστημα Σχήμα 1.6: Πολυτερματικό εν-παραλλήλω HVDC σύστημα 1.5 Δομή ενός HVDC συστήματος Σε ένα HVDC σύστημα, η ηλεκτρική ενέργεια λαμβάνεται από ένα τριφασικό AC δίκτυο, μετατρέπεται σε DC µε τη βοήθεια ενός σταθμού μετατροπής (converter station), μεταφέρεται µε τη βοήθεια των HVDC αγωγών στο σημείο λήψης και τελικά μετατρέπεται πάλι σε AC µε τη βοήθεια ενός σταθμού μετατροπής, ο οποίος είναι συνδεδεμένος σε AC δίκτυο. Στα άκρα κάθε HVDC συστήματος μεταφοράς υπάρχουν οι σταθμοί μετατροπής του συστήματος. Ανάλογα με τις ανάγκες του έργου που καλείται να εξυπηρετήσει το HVDC σύστημα, προσδιορίζεται και η τοπολογία του σταθμού μετατροπής, που στη γενική μορφή της μοιάζει με αυτή του σχ. 1.7. Οι μετατροπείς περιλαμβάνουν μετασχηματιστές, φίλτρα αρμόνικων, φίλτρα συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος, αντισταθμιστές χωρητικότητας, άεργο εξοπλισμό κλπ (σχ. 1.7). 5

Σχήμα 1.7 : Διάγραμμα συστήματος HVDC 1.5.1 HVDC Μετατροπείς (Converters): Είναι το πιο σημαντικό μέρος ενός HVDC συστήματος. Σε αυτούς γίνεται η μετατροπή της υψηλής τάσης από AC σε DC και αντίστροφα χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικές ηµιαγώγιµες βαλβίδες υψηλής τάσης. Οι ημιαγώγιμες αυτές βαλβίδες (thyristor valves για τα κλασσικά HVDC, IGBTs για τα VSC HVDC) βοηθούν µμετατροπή από AC σε DC (ανορθωτής) και αντίστροφα (Αντιστροφέας) μέσα από ένα σύστηµα ελέγχου εγκατεστημένο σε υπολογιστές. Το γεγονός αυτό επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της μεταφερόμενης ισχύος και αποτελεί μοναδικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας HVDC (Στην τεχνολογία AC αυτό δεν µπορεί να ελεγχθεί άμεσα διότι εξαρτάται από εξωτερικούς παράγοντες). Οι μετατροπείς συνδέονται με το AC δίκτυο μέσω μετασχηματιστών. 6

Σχήμα 1.8: Τριφασική Γέφυρα 12-παλμων με θυρίστορ Βασική μονάδα μετατροπέων είναι η τριφασική εξαπαλμική γέφυρα (Graetz bridge) αν και σήμερα χρησιμοποιείται πιο πολύ η τριφασική γέφυρα 12 παλμών που κατασκευάζεται από δυο εξαπαλμικές γέφυρες συνδεδεμένες σε σειρά στην DC πλευρά τους (σχ. 1.8).Οι γέφυρες μετά ξεχωριστά συνδέονται στο ac δίκτυο μέσω μετασχηματιστών ο ένας σε συνδεσμολογία Υ/Υ και ο άλλος σε Υ/Δ, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.8 η διαφορετικά μέσω ενός μετασχηματιστή με δυο τυλίγματα στο δευτερεύον το ένα σε Υ και το άλλο σε Δ (σχ. 1.9). Αυτός ο τρόπος σύνδεσης, συνδέει τις δύο γέφυρες 6-παλμών σε σειρά στη dc πλευρά και παράλληλα στην ac πλευρά, έτσι ώστε να έχουμε από τη μία υψηλές dc τάσεις και από την άλλη περιορισμό των αρμονικών των ac ρευμάτων και της κυμάτωσης της dc τάσης (καθώς τα ρεύματα της 5 ης και της 7 ης αρμονικής διάμεσου των μετασχηματιστών είναι σε αντίθετη φάση). Έτσι, προκύπτει η γέφυρα 12-παλμών Σχήμα 1.9 :Τριφασική γέφυρα 12-παλμων 7

Στα κλασσικά HVDC χρησιμοποιούνται μετατροπείς: Φυσικής μεταγωγής, οπότε χρησιμοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ (Line-Commutateted or self Commutated Current Source Converter, CSC) Στην περίπτωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής οι ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος που χρησιμοποιούνται στη γέφυρα 12-παλμών είναι τα θυρίστορ. Το θυρίστορ είναι ένας ελεγχόμενος ημιαγωγικός διακόπτης, ο οποίος μπορεί να αντέξει σε αρκετά υψηλά ρεύματα (4000 Α) και είναι ικανός να διακόψει πολύ υψηλές τάσεις (μέχρι 10kV). Συνδέοντας πολλά θυρίστορ σε σειρά είναι δυνατόν να χτίσουμε μια μία μονάδα θυρίστορ, η οποία μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλές τάσεις (μερικές εκατοντάδες kv). Η μονάδα των θυρίστορ λειτουργεί υπό την συχνότητα του δικτύου (50Hz ή 60Hz) και είναι δυνατός ο έλεγχος του επιπέδου της παραγόμενης dc τάσης, μέσω του ελέγχου της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Αυτός είναι και ο βασικός τρόπος με τον οποίο μπορούμε να ελέγξουμε τη ροή της μεταφερόμενης ισχύος γρήγορα και αποτελεσματικά. Οι μετατροπείς φυσικής μεταγωγής (CSCs) εξαρτώνται από την ac τάση του συστήματος για την ικανοποιητική τους λειτουργία, και αυτό επειδή για να λειτουργήσουν είναι απαραίτητο η ac τάση να προηγείται του ac ρεύματος. Αυτό σημαίνει, ότι η διαδικασία της μετατροπής απαιτεί κατανάλωση άεργου ισχύος. Μεταγωγής μέσω πυκνωτών, όπου παρεμβάλλονται πυκνωτές σε σειρά μεταξύ των μετασχηματιστών και των μετατροπέων (Capacitor Commutated Converter, CCC) Σχήμα 1.10: Μετατροπέας CCC (ή Self commutated CSC) 8

Στους μετατροπείς μεταγωγής μέσω πυκνωτών έχουμε τη χρήση πυκνωτών μεταγωγής, οι οποίοι τοποθετούνται σε σειρά μεταξύ του μετασχηματιστή (ή των μετασχηματιστών) του μετατροπέα και των μονεδών των θυρίστορ. Η κατηγορία αυτή των μετατροπέων αποτελεί μία βελτίωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής, η οποία εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 90 κυρίως για αδύναμα συστήματα back-to-back εφαρμογών. Οι πυκνωτές μεταγωγής παρέχουν άεργο ισχύ στον μετατροπέα ανάλογη του φορτίου του. Έτσι, λοιπόν, καλύπτουν την ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος στον μετατροπέα, αποκλείοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάγκη χρήσης πυκνωτών αντιστάθμισης και μεγάλων συστοιχιών φίλτρων για τον ίδιο σκοπό. Παρόλα αυτά, η χρήση των φίλτρων είναι απαραίτητη για την μείωση των αρμονικών, αλλά σε αυτήν την περίπτωση αντί για συστοιχίες φίλτρων με βαθμονόμηση πολλών MVar χρησιμοποιούνται νέα ενεργά dc φίλτρα και ac φίλτρα συνεχώς συντονισμένα. Τέλος, η μη χρήση συστοιχιών φίλτρων έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνεται σε σημαντικό βαθμό ο χώρος που απαιτείται για την εγκατάσταση του HVDC υποσταθμού. 1.5.2 Μετασχηματιστές Οι μετασχηματιστές συνδέουν το AC- δίκτυο με τις γέφυρες και ρυθμίζουν το επίπεδο της εναλλασσόμενης τάσης σε κατάλληλο επίπεδο για τους μετατροπείς. Οι μετασχηματιστές μπορεί να είναι διαφορετικού τύπου και σχεδιασμού ανάλογα με τη μεταφερόμενη ισχύ και τις απαιτήσεις μεταφοράς. 1.5.3 Φίλτρα αρμόνικων της AC-πλευράς Οι μετατροπείς HVDC παράγουν αρμονικά ρεύματα στη AC πλευρά του συστήματος τα όποια ωστόσο περιορίζονται και δεν εισέρχονται στο ac δίκτυο από τα AC φίλτρα. κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με γέφυρα 12-παλμών έχουμε παραγωγή αρμονικών ρεύματος τάξεως 12n +/- 1. Τα ac φίλτρα συνήθως συντονίζονται για τις 11η, 13η, 23η και 25η αρμονικές σε γέφυρα 12-παλμών περιορίζοντας αυτά τα ρεύματα. Ο συντονισμός στην 5η και 7η αρμονική απαιτείται στην περίπτωση όπου υπάρχει γέφυρα 6-παλμών. Επιπλέον στην διαδικασία μετατροπής οι μετατροπείς καταναλώνουν άεργο ισχύ, η όποια αντισταθμίζεται από τις συστοιχίες των φίλτρων, ενώ η υπόλοιπη παρέχεται από συστοιχίες αντισταθμιστών. 9

Σχήμα 1.11: Συστοιχία ac φίλτρων 1.5.4 DC Φίλτρα Μερικές από τις αρμονικές που δημιουργούν οι μετατροπείς, μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολές στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Έτσι, λοιπόν, σε περίπτωση που ο σταθμός μετατροπής συνδέεται σε DC σύστημα με εναέριες γραμμές μεταφοράς κρίνεται απαραίτητη η χρήση dc φίλτρων στην dc πλευρά Οι αρμονικές τάσης που παράγονται από γέφυρα 6-παλμών είναι τάξης 6n και αντίστοιχα από γέφυρα 12-παλμών τάξης 12n. Τα dc φίλτρα περιορίζουν κυμάτωση στην τάση εξόδου, ενώ το dc ρεύμα εξομαλύνεται κυρίως από τις αυτεπαγωγές που υπάρχουν. Εάν έχουμε μεταφορά μόνο μέσω καλωδίων ή back-to-back HVDC δεν χρειαζόμαστε φίλτρο. Αν όμως έχουμε εναέριες γραμμές τότε η τοποθέτηση φίλτρων είναι απαραίτητη. Τα είδη DC φίλτρων που χρησιμοποιούνται είναι φίλτρα συντονισμού και ενεργά φίλτρα. Αυτά είναι ένας τρόπος να ικανοποιηθούν οι αρκετά αυστηρές απαιτήσεις για τα επίπεδα παρεμβολών των dc γραμμών. 1.5.5 HVDC καλώδια και εναέριες γραμμές Τα καλώδια στα HVDC χρησιμοποιούνται κυρίως για υποβρύχια μεταφορά ισχύος, ενώ δεν υπόκεινται σε περιορισμούς απόστασης. Αν έχουμε ένα back-to-back HVDC σύστημα δεν απαιτείται φυσικά κάποιο dc καλώδιο η γραμμή. Αν το HVDC χρησιμοποιείται για την μεταφορά ισχύος μεταξύ συστημάτων σε απόσταση χρησιμοποιούνται εναέριες γραμμές μεταφοράς, αν και περιβαλλοντικοί λόγοι πολλές φόρες επιβάλλουν την χρησιμοποίηση καλωδίων και για επίγειες συνδέσεις. 10

1.5.6 Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης Οι αυτεπαγωγές εξομάλυνσης συνήθως περιλαμβάνονται σε κάθε πόλο του σταθμού μετατροπής και συνδέονται σε σειρά στην έξοδο των μετατροπέων. Οι αυτεπαγωγές παρουσιάζουν κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά όπως τα παρακάτω : Εξομάλυνση του dc ρεύματος, με σκοπό την αποφυγή ασυνέχειας του ρεύματος σε χαμηλά επίπεδα μεταφοράς ισχύος. Μείωση της συχνότητας εμφάνισης σφαλμάτων μεταγωγής. Αποτελούν επιπρόσθετα τμήματα των dc φίλτρων που χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση των αρμονικών και την μείωση των παρεμβολών σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας. 1.6 Έλεγχος των κλασσικών HVDC συστημάτων Η ισχύς που μεταφέρεται από την σύνδεση HVDC ελέγχεται από το σύστημα ελέγχου οπού ένας από τους μετατροπείς ελέγχει την συνεχή τάση και ο άλλος μετατροπέας ελέγχει το ρεύμα που διαρρέει το dc κυκλώματα κύκλωμα ελέγχου παρακολουθεί και διορθώνει τις γωνιές των θυρίστορ των μετατροπέων και κάνει τις απαραίτητες ρυθμίσεις στους μετασχηματιστές των μετατροπέων για να πάρει τις επιθυμητές τιμές τάσης και ρεύματος. Γενικά το σύστημα ελέγχου ενός HVDC συστήματος (κλασσικού-csc και μοντέρνου VSC) μεταφοράς έχει ως κύριο στόχο: Τον έλεγχο της έναρξης και της παύσης λειτουργίας του HVDC συστήματος. Τον έλεγχο της ικανότητας μεταφοράς ισχύος του συστήματος, καθώς και την κατεύθυνση της μεταφοράς ισχύος. Τον έλεγχο των μη φυσιολογικών λειτουργιών των μετατροπέων και των διαταραχών που προκαλούνται από τη διασύνδεση των AC συστημάτων. Την προστασία των συσκευών σε περίπτωση εμφάνισης σφαλμάτων. Το σύστημα ελέγχου χωρίζεται σε τέσσερα μέρη που τοποθετούνται. Αυτά είναι τα παρακάτω: Συνολικό σύστημα ελέγχου (Overall System Control) Κύριος έλεγχος (Master Bipole Control) Έλεγχος πόλων (Pole Control) Έλεγχος γέφυρας (Bridge (Converter) Control) 11

Σχήμα 1.12: Μπλοκ διάγραμμα για τον έλεγχο ενός HVDC συστήματος 12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ VSC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ 2.1 Εισαγωγή Τα κλασσικά HVDC συστήματα, όπως είδαμε, ήρθαν να συμπληρώσουν και να βοηθήσουν σε μεγάλο βαθμό το πρόβλημα της μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος. Πάρα τα μεγάλα τους πλεονεκτήματα ωστόσο παρουσιάζουν ορισμένα λειτουργικά μειονεκτήματα όπως είναι η απορρόφηση άεργου ισχύος από το δίκτυο (σε ποσοστό μάλιστα 50%-60% της ενεργού ισχύος) και έχουν πολύ περιορισμένη δυνατότητα ελέγχου της άεργου ισχύος. Επιπλέον δημιουργούν αρμόνικες στα AC-δίκτυα και έτσι απαιτούν την χρήση φίλτρων, τα όποια ωστόσο καταλαμβάνουν μεγάλο χώρο και δημιουργούν αστάθεια Σε αυτά τα προβλήματα λύση έρχεται να δώσει το VSC-HVDC (Self- Commutated Voltage Source Converter) σύστημα, κάνοντας χρήση του μετατροπέα Εξαναγκασμένης μεταγωγής (VSC). Σε αυτούς τους μετατροπείς γίνεται χρήση ελεγχόμενων ημιαγωγών διακόπτων όπως είναι τα διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) και θυρίστορ με σβέση ελεγχόμενη από την πύλη (GTO) σαν συστατικά στοιχεία των γεφυρών των μετατροπέων. Αύτη είναι η και βασική διαφορά με τους κλασσικούς μετατροπείς, αφού οι VSC s μπορούν να επιτύχουν όχι μονό έναυση αλλά και σβέση των IGBT s με χρήση σημάτων στην πύλη τους όταν διαρρέονται από ρεύμα. Με αλλά λόγια δεν απαιτείται εναλλασσόμενη τάση για την μεταγωγή τους. Επιπλέον οι VSC s μετατροπείς χρησιμοποιούν την τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Με αυτήν διαμόρφωση είναι δυνατή η μεταβολή του μέτρου και της φάσης των κυματομορφών της AC-τάσης εξόδου στην επιθυμητή τιμή και μορφή ταχύτατα, καθιστώντας έτσι τα VSC s ελέγξιμες πηγές ρεύματος. Αυτή η μεγάλη δυνατότητα ελέγχου των VSC-HVDC συστημάτων μας δίνει την δυνατότητα να τα χρησιμοποιήσουμε σε ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Η πρώτη εφαρμογή των VSC-HVDC έγινε το 1999 στην Σουηδία στην διασύνδεση Hellsjon με ονομαστικά στοιχεία 3MW και 10kV DC, συνδέθηκε σε ξεχωριστά τμήματα του ήδη υπάρχοντος δικτύου 10 kv AC. Αν και οι προδιαγραφές των συστημάτων VSC-HVDC αυξάνονται δεν μπορούν ακόμα να φτάσουν τα κλασσικά HVDC σε θέματα ισχύος. Σε αυτό το κεφάλαιο θα μελετηθεί η δομή, η λειτουργία, τα πλεονεκτήματα και οι εφαρμογές των VSC-HVDC συστημάτων 13

2.2 Πλεονεκτήματα-εφαρμογές Η μεγάλη διαφορά των VSC-HVDC με τα κλασσικά HVDC σύστηματα είναι η μεγάλη τους ελεγξιμότητα και ταχύτητα, που επιτυγχάνεται με τα IGBT s και την διαμόρφωση PWM. Αυτό οδηγεί σε μια σειρά από πλεονεκτήματα : Δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου τόσο της πραγματικής όσο και της άεργου ισχύος, χωρίς απαίτηση για επιπλέον αντισταθμιστικό εξοπλισμό. Αυτή η ιδιότητα είναι αποτέλεσμα της χρήσης PWM και μέσω αυτής του ελέγχου της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου με την όποια ελέγχουμε τις ροές ισχύος από και προς τον μετατροπέα. Λειτουργία άεργου αντιστάθμισης (STATCOM). Η άεργος ισχύς που καταναλώνεται ή παράγεται από τον μετατροπέα χρησιμοποιείται για την κάλυψη των άεργων απαιτήσεων του συνδεδεμένου AC δικτύου. Μείωση των διαταραχών στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος. Οι ικανότητες ελέγχου της τάσης και της άεργης ισχύος, καθώς και της ταχυτάτης απόκρισης λόγων των μεγάλων συχνοτήτων διακοπών (PWM), οδηγούν σε καλύτερο έλεγχο της ποιότητας ισχύος. Έτσι το σύστημα ανταποκρίνεται καλυτέρα σε βυθίσεις τάσεων, αρμόνικες κλπ. Αλλαγή της κατεύθυνσης της ροής ισχύος χωρίς την απαίτηση για αλλαγή της πολικότητας της συνεχούς τάσης. Το μονό που αλλάζει είναι κατά μια μικρή ποσότητα το επίπεδο της συνεχούς τάσης σε κάθε μετατροπέα. Αυτή η ιδιότητα είναι πολύ χρήσιμη στην κατασκευή των πολυτερματικών HVDC δικτύων. Μείωση κίνδυνου σφαλμάτων μεταγωγής. Τα σφάλματα μεταγωγής είναι ένα συχνό φαινόμενο στα κλασσικά HVDC και δημιουργούνται από διαταραχές του AC συνδεδεμένου δικτύου. Τα VSC-HVDC συστήματα όμως χρησιμοποιούν ημιαγώγιμες διατάξεις αυτό-μεταγωγής και δεν απαιτούν πηγή εναλλασσόμενης τάσης για την μεταγωγής τους, αποφεύγοντας έτσι τα σφάλματα μεταγωγής. Σύνδεση σε ασθενή, παθητικά ή ακόμα και νέκρα AC δίκτυα. Σε αυτά το VSC-HVDC σύστημα αναλαμβάνει τον ρολό της πηγής τάσης, καθώς μπορεί να παρέχει χωρίς να χρησιμοποιεί κινητήρες, μια εναλλασσόμενη τάση σε διαφορές συχνότητες. Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά πολύ χρήσιμα στην τροφοδοσία μικρών απομονωμένων φορτιών. Μικρότερο μέγεθος υποσταθμών σε σχέση με τα κλασσικά HVDC. 14

Έτσι απαιτούν μικρότερο χώρο εγκατάστασης. Αυτό είναι πολύ σημαντική ιδιότητα όταν ο χώρος εγκαταστάσεις είναι περιορισμένος όπως σε αστικά κέντρα Μικρότερη επίδραση στο περιβάλλον. Ιδιαίτερα σήμερα οπού η κάλυψη των αυξημένων απαιτήσεων σε ισχύ περιορίζεται από την αδυναμία όδευσης νέων γραμμών μεταφοράς, η ικανότητα των VSC- HVDC συστημάτων να χρησιμοποιούν πολυμερή καλώδια για εναέρια, υπόγεια και υποβρύχια μεταφορά ισχύος αποτελεί σημαντικό παράγοντα επιλογής τους στην μεταφορά ισχύος. Δεν απαιτείται επικοινωνία μεταξύ του ανορθωτή και του αντιστροφέα στον μετατροπέα VSC αυξάνοντας την ελεγξιμότητα και την ταχύτητα του. Από τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι τα VSC-HDVC συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε μεγάλο πλήθος δραστηριοτήτων επιλύοντας πολλά προβλήματα. Τομείς στους όποιους η χρήση των VSC μετατροπέων στα HVDC συστήματα, βρίσκει την μεγαλύτερη εφαρμογή είναι η: Η τροφοδοσία νησιώτικων φορτιών. Η τροφοδοσία μικρών απομονωμένων φορτιών. Η διασύνδεση μεγάλων αιολικών πάρκων. Η εφαρμογή τους στην κατασκευή πολυτερματικών HVDC δικτύων Μεταφορά ισχύος από και προς πλατφόρμες πετρελαίου και φυσικού αερίου, που δεν βρίσκονται κοντά στην στεριά. Τροφοδότηση μητροπολιτικών περιοχών (λόγω μικρού μεγέθους εγκατάστασης υποσταθμών). Διασύνδεση AC δικτύων με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Οι πιθανές υψηλές απώλειες ισχύος μπορούν να αναφερθούν ως μειονέκτημα των VSC συστημάτων. Επιπλέον τα VSC-HVDC συστήματα δεν μπορούν να φτάσουν τις προδιαγραφές λειτουργίας των κλασσικών-συμβατικών HVDC συστημάτων. χαρακτηριστικά αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά λειτουργίας δυο διαφορετικών τύπων μετατροπέων σε HVDC συστήματα LCC HVDC : 7200 MW ±800 kv DC 2000 km VSC HVDC : 1100 MW ±320 kv DC 200 500 km 15

Παρακάτω, δίνεται ο πίνακας 2.1 που περιγράφει τις εφαρμογές και τα είδη των HVDC συστημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε καθεμία από αυτές. Πίνακας 2.1 : τα είδη των HVDC συστημάτων και οι εφαρμογές τους 2.3 Περιγραφή 2.3.1 Δομή του συστήματος Η βασική λειτουργία ενός συστήματος VSC-HVDC είναι η μεταφορά συνεχούς dc-ισχύος από τον ανορθωτή στον αντιστροφέα. Η δομή ενός VSC-based back-toback HVDC συστήματος φαίνεται στο σχήμα 2.1. Αποτελείται από δυο VSC μετατροπείς, φίλτρα αρμόνικων, dc-πυκνωτές, μετασχηματιστές, επαγωγικές αντιδράσεις και ωμικές απώλειες του πηνίου ενίσχυσης,καλώδιο συνεχούς ρεύματος κλπ. 16

Μετασχηματιστής Μετατροπεας (VSC1) 2C dc Μετατροπεας (VSC2) Μετασχηματιστής AC AC-ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟNΙΚΑ Φασική αντίδραση V dc 2C dc V dc Φασική αντίδραση AC-ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟΝΙΚΑ AC Σχήμα 2.2: Δομή ενός VSC-HVDC συστήματος 2.3.2 Μετατροπείς: Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται είναι Εξαναγκασμένης Μεταγωγής (VSC s), δηλαδή χρησιμοποιούν ημιαγωγούς διακόπτες IGBT s. Ο ένας μετατροπέας χρησιμοποιείται ως ανορθωτής και ο άλλος ως αντιστροφέας. Ανάλογα με την εφαρμογή οι δυο μετατροπείς μπορούν να συνδέονται ή back-to-back ή με ένα dcκαλώδιο. Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται σε πραγματική λειτουργία είναι τριφασικοί είτε δυο επίπεδων εξαπαλμική γέφυρα (έξι διακοπτικά στοιχεία IGBT,σχήμα 2.2) είτε τριών επιπέδων 12-παλμικη γέφυρα (12 διακοπτικά στοιχεία IGBT,σχημα2.3). Οι μετατροπείς λειτουργούν με PWM διαμόρφωση. Σχήμα 3.2: VSC μετατροπέας δύο επιπέδων 17

Σχήμα 2.4: VSC μετατροπέας τριών επιπέδων Η γέφυρα δυο επίπεδων είναι η πιο απλή συνδεσμολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην δημιουργία μιας VSC-γέφυρας. Αποτελείται όπως είδαμε από έξι IGBT s και μια αντιπαράλληλη δίοδο. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.4 τα IGBT s όταν πολώνονται ορθά μπορούν να άγουν προς μία μόνο κατεύθυνση, ωστόσο ο μετατροπέας είναι ικανός να μεταφέρει ρεύμα και προς τις δυο κατευθύνσεις. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση αντιπαράλληλης διόδου στον ημιαγωγό διακόπτη. Ο μετατροπέας αυτός είναι σε θέση να παράγει δυο επίπεδα τάσης από -0,5 έως +0,5 της ονομαστικής. Για την επίτευξη επιθυμητών επίπεδων ισχύος μπορεί να χρειαστεί κατάλληλη σειριακή σύνδεση πολλών γεφυρών ούτως ώστε να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές υψηλής τάσης. Σχήμα 2.5 :Φασικό διάγραμμα λειτουργίας του VSC μετατροπέα Στους μετατροπείς τριών επίπεδων στην θέση των διόδων μπορούν να χρησιμοποιηθούν IGBT βαλβίδες για σύσφιξη ουδέτερου σημείου. Κάθε IGBT ελέγχεται ατομικά και παρακολουθείται μέσω οπτικών ινών, ενώ έχει ονομαστική τάση 2.5KV με ονομαστικά ρεύματα μέχρι και 1500 A. Οι συχνότητες ενεργοποίησης 18

τους με PWM είναι περίπου 1-2KHz, ανάλογα με την τοπολογία του VSC μετατροπέα, την εφαρμογή και την συχνότητα του συστήματος. 2.3.3 Φασικές επαγωγικές αντιδράσεις Ο κάθε μετατροπέας VSC συνδέεται στον ζυγό του εναλλασσομένου δικτύου μέσω πηνίων και μετασχηματιστών (σχ. 2.1). Οι φασικές επαγωγικές αντιδράσεις συνδέονται σε κάθε πόλο του σταθμού μετατροπής σε σειρά με την έξοδο των μετατροπέων. Κύρια χρήση τους είναι ο έλεγχος της ροής πραγματικής και άεργου ισχύος με ρύθμιση των ρευμάτων που τα διαρρέουν, καθώς οι ροές αυτές εξαρτώνται από την τάση κατά μήκος των πηνίων. Επιπλέον χρησιμοποιούνται ως φίλτρα για την αποκοπή των υψηλών αρμόνικων των εναλλασσομένων ρευμάτων που προκαλούνται από την έναυση και την σβέση των διακοπτικών στοιχείων των VSC μετατροπέων. Τα πηνία βοηθούν και στη μείωση της συχνότητας σφαλμάτων μεταγωγής και στις παρεμβολές που μπορεί να προκαλούνται από τις αρμόνικες. Θα πρέπει εδώ να αναφέρουμε ότι επειδή οι IGBT διακόπτες λειτουργούν σε μία μέση συχνότητα περίπου 1-2kHz και ανοίγω-κλείνουν με τέτοιο τρόπο ώστε οι κατώτερες αρμονικές απαλείφονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, να απαιτούνται φίλτρα μόνο για την απαλοιφή αρμονικών υψηλότερων συχνοτήτων. 2.3.4 Φίλτρα αρμονικών (AC φίλτρα) H εναλλασσόμενη τάση εξόδου των VSC μετατροπέα περιλαμβάνει αρμόνικες συνιστώσες που όπως προαναφέρθηκε προέρχονται από την λειτουργία των IGBT διακοπτικών στοιχείων του VSC μετατροπέα. Αυτές οι αρμόνικες αν περάσουν στο εναλλασσόμενο δίκτυο θα προκαλέσουν δυσλειτουργίες και βλάβες, ενώ είναι υπεύθυνες και για τηλεπικοινωνιακές διαταραχές. Για αυτό τον λόγο εγκαθίστανται υψιπερατά φίλτρα που αποκόπτουν τις υψηλές αρμόνικες. Θα πρέπει εδώ να αναφέρουμε ότι στην περίπτωση χρήσης VSC μετατροπέων εκτός του ότι δεν υπάρχει ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος (τα φίλτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για άεργο αντιστάθμιση), οι αρμονικές ρευμάτων στην AC πλευρά συνδέονται άμεσα στη συχνότητα της PWM διαμόρφωσης. Έτσι, λοιπόν, ο αριθμός των φίλτρων που απαιτούνται μειώνεται δραματικά σε σύγκριση με όταν έχουμε χρήση μετατροπέων φυσικής μεταγωγής. 2.3.4.1 Επεξήγηση Οι PWM κυματομορφές των τάσεων και των ρευμάτων στην AC πλευρά των μετατροπέων περιλαμβάνουν ν αρμόνικες της μορφής f c +kf 1 οπού f c η συχνότητα του σήματος-φορέα και f 1 η θεμελιώδης συχνότητα του δικτύου. Έτσι η τάση εξόδου του 19

μετατροπέα περιλαμβάνει έκτος της συνιστώσας θεμελιώδους συχνότητας και συνιστώσες γύρω από την συχνότητα του σήματος PWM και πολλαπλάσια αυτής. Για ένα τριγωνικό σήμα φορέα PWM, συχνότητα δικτύου 50Hz και συχνότητα λειτουργίας των IGBT s 2KHz, ο λόγος κατάτμησης που δίνεται από το τύπο : (2.1) (μεταγωγές των διακόπτων στοιχείων ανά δευτερόλεπτο) μας δίνει για το παράδειγμα μας m f =40. Η επιλογή του λογού κατάτμησης εξαρτάται από την ισορροπία ανάμεσα στις απώλειες λειτουργίας των IGBT s (έναυση-σβέση) και στις απώλειες λόγω αρμόνικων. Μεγαλύτερη τιμή του m f συνεπάγεται αύξηση των απωλειών λόγω μεταγωγής αλλά μείωση των απωλειών λόγω αρμόνικων και επιπλέον τόσο μεγαλύτερη η συχνότητα της μικρότερης τάξης αρμονικής. Έτσι χρησιμοποιούνται παθητικά φίλτρα για την αποκοπή των υψηλών αρμόνικων. Στα HVDC συστήματα χρησιμοποιούνται παθητικά φίλτρα δεύτερης και τρίτης τάξης (σχ.2.5) ώστε να αποκόπτουν τις αρμόνικες πάνω από την 17 η στο δίκτυο AC, Σχήμα 2. 6: Παθητικά AC Φίλτρα δεύτερης και τρίτης τάξης Επιπροσθέτως, πρέπει να αναφερθούμε και στη χρήση ενεργών AC φίλτρων. Ενώ τα παθητικά φίλτρα στην AC πλευρά παρουσιάζουν μία αναξιοπιστία, εξαιτίας της διαφοράς απόδοσης των αρμονικών σε ένα πραγματικό σύστημα από ότι σε ένα σύστημα προσομοίωσης για υπολογισμούς, τα ενεργά φίλτρα παρουσιάζουν κάποια πλεονεκτήματα. Τα ενεργά φίλτρα : Καλύπτουν μια ευρεία περιοχή αρμονικών 20

Δεν επηρεάζονται από μεταβολές της θερμοκρασίας Δεν απαλείφουν άλλες αρμονικές πέρα από τις δικές τους Παρέχουν μεγάλες διακυμάνσεις στις αντιδράσεις των α συστημάτων Υποβαθμίζουν ασύγχρονες ταλαντώσεις Είναι γενικά μικρότερου μεγέθους σε σχέση με τα παθητικά φίλτρα 2.3.5 Πυκνωτές της DC πλευράς του μετατροπέα Όπως φαίνεται και από το σχήμα 2.1 υπάρχουν δυο πυκνωτές ίδιου μεγέθους στην dc πλευρά κάθε μετατροπέα. Πρωταρχικοί στόχοι τους είναι η παροχή ενός δρόμου μικρής αγωγιμότητας για το ρεύμα σβέσης και η αποθήκευση ενέργειας για το έλεγχο της ροής ισχύος. Το μέγεθος τους εξαρτάται από την επιθυμητή συνεχή τάση. Επιπλέον λόγοι για την χρήση τους και την επιλογή του μεγέθους του είναι οι ακόλουθοι: Εξαιτίας των αρμόνικων 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. 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. Συνήθως χρησιμοποιείται ένας μικρός πυκνωτής που οδηγεί σε ταχύτερες αποκρίσεις του VSC μετατροπέα και παρέχει μια ικανή ενέργεια για τον έλεγχο της ροής ισχύος. Ο πυκνωτής συνδέεται με μια σταθερά χρόνου : (2.2) που αποτελεί τον λόγο της αποθηκευμένης ενέργειας στην ονομαστική τάση προς την ονομαστική ισχύ του μετατροπέα. Είναι ο χρόνος που απαιτείται για την 21

φόρτιση του πυκνωτή από μηδέν μέχρι την ονομαστική τάση V dc, αν ο μετατροπέας τροφοδοτείται με πραγματική ισχύ S N. Όσο μικρότερη η τιμή του τόσο λιγότεροι κυματισμοί και υπερτάσεις στην DC τάση. Υπάρχει ωστόσο μια min τιμή του πυκνωτή κάτω από την όποια ο έλεγχος της πραγματικής ισχύος (η άεργος ισχύς παράγεται τοπικά και δεν ανταλλάσσεται μέσω της dc σύνδεσης) καθίσταται ανέφικτος. 2.3.6 DC καλώδια Στο καλώδιο που χρησιμοποιείται στα VSC-HVDC συστήματα, η μόνωση που επιτυγχάνεται από πολυμερή είναι ιδιαίτερα ανθεκτική στην DC τάση. Τα πολυμερή καλώδια όπως έχουμε δει είναι η πιο επιθυμητή επιλογή στα HVDC σύστημα λόγω της αντοχής τους,της ελαστικότητας τους και του χαμηλούς τους βάρους.απαιτούν μονό δυο καλώδια ανάμεσα σε δυο μετατροπείς,μεταφέρουν περισσότερη ισχύ σε σχέση με τα ac καλώδια και έχουν λιγότερες απώλειες. Αν και τα επίγεια καλώδια κυριάρχησαν για πολλές δεκαετίες τα υπόγεια καλώδια αποκτούν όλο και περισσότερη χρήση λόγω των βελτιώσεων στην τεχνολογία τους και λόγο των περιβαντολλογικών συνεπειών που έχει η όδευση μιας γραμμής επίγειας ή εναερίας γραμμής μεταφοράς. 2.4 Λειτουργία Στο σχήμα 2.6 φαίνεται η διασύνδεση δυο τερματικών σταθμών μετατροπής μέσω μιας HVDC διασύνδεσης. Κάθε σταθμός της διασύνδεσης αναπαρίσταται σαν μια πηγή τάσης η όποια συνδέεται στο αντίστοιχο εναλλασσόμενο δίκτυο μέσω μιας τριφασικής αντίδρασης. PCC Μετατροπεας (VSC1) 2C dc Μετατροπεας (VSC2) Ps,Qs V dc V dc It R L, X L ΔV AC AC-ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟNΙΚΑ 2C dc Vt Vs AC-ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟΝΙΚΑ AC Σχήμα 2. 7: Σύνδεση ενός HVDC συστήματος σε δυο AC δίκτυα 22

Παρακάτω δίνεται το φασικό διάγραμμα του μετατροπέα VSC2 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ P<0 Q<0 ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ P>0 Q<0 ΔV P<0 Q>0 I t V s δ V t P>0 Q>0 Σχήμα 2.8: Φασικό διάγραμμα του VSC μετατροπέα Η τάση αναφοράς V t την οποία παίρνουμε ως την στιγμιαία φασική τάση στην έξοδο του μετατροπέα και εκφράζεται από τη σχέση : όπου (2.3) M: είναι ο συντελεστής διαμόρφωσης που ορίζεται σαν ο λόγος της κορυφής του σήματος διαμόρφωσης και της τιμής κορυφής του φέροντος σήματος. ω: η θεμελιώδης συχνότητα φ: η φασική μετατόπιση της τάσης εξόδου, ανάλογα με την θέση του σήματος διαμόρφωσης. Ο ελεγκτής του VSC μπορεί να ελέγξει ανεξάρτητα τα Μ και φ ώστε να ελέγξουμε την ροη της ισχύος. Αν θέσουμε : (2.4) ως έναν συντελεστή που μπορεί να ελεγχθεί μέσω της PWM διαμόρφωσης και αγνοώντας τους αρμονικούς όρους προκύπτει: (2.5) 23

Αμελώντας την αντίσταση του μετασχηματιστή, και θέτοντας ως V S την τάση στον ζυγό του εναλλασσομένου δικτύου προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις για την ενεργό και την άεργο ισχύ : (2.6) (2.7) Η γωνία φ δείχνει την φασική γωνία μεταξύ της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης του μετατροπέα V t και της τάσης στον ζυγό του δικτύου V S, θεωρείται δε θετική στην περίπτωση που η τάση εξόδου του μετατροπέα έπεται της AC τάσης του δικτύου. H ενεργός και η άεργος ισχύς θεωρούνται θετικές όταν έχουμε ροή ισχύος από το AC δίκτυο προς τον μετατροπέα. Η εξ. 2.6 δείχνει ότι η ενεργός ισχύς είναι ανάλογη του DC ρεύματος και της DC τάσης. Επίσης, καθορίζεται κυρίως από την μεταβολή της γωνίας φ. Μία θετική γωνία φ συνεπάγεται ότι η ενεργός ισχύς ρέει από το AC δίκτυο προς τον μετατροπέα. Άρα ο έλεγχος της πραγματικής ισχύος γίνεται μέσω της μεταβολής τούς γωνίας φ. Η άεργος ισχύς καθορίζεται κυρίως από τη διαφορά μεταξύ του εύρους της τάσης του AC ζυγού τάσης και της τάσης εξόδου του μετατροπέα (εξ. 2.7). Η άεργος ισχύς τροφοδοτείται από την τάση με το υψηλότερο εύρος προς την τάση με το χαμηλότερο εύρος. Άρα για σταθερή τάση δικτύου η άεργος ισχύς ελέγχεται από την τάση εξόδου του μετατροπέα V t, η όποια ρυθμίζεται από το πλάτος των παλμών της γέφυρας του μετατροπέα VSC και εξαρτάται φυσικά και από την DC τάση, Αυτά τα παραπάνω χαρακτηριστικά των μετατροπέων VSC επιτρέπουν τον ανεξάρτητο έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος, που είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα των μετατροπέων VSC. Ύψωση στο τετράγωνο και κατά μέλη πρόσθεση των εξισώσεων (2.6) και (2.7) δίνει ότι: (2.8) Άρα το διάγραμμα P-Q είναι ένας κύκλος σύμφωνα με τη εξ. 2.8 και δείχνει τις ικανότητες σε πραγματική και άεργο ισχύ του συστήματος HVDC αν οι τάσεις και τα ρεύματα εκφραστούν σε ανά μονάδα τιμές και με την υπόθεση ότι οι τάσεις των ζυγών των εναλλασσομένων δικτύων είναι 1.0 up. 24

Q(pu) 1.0-1.0 1.0 P(pu) -1.0 Σχήμα 2.9: Διάγραμμα P-Q ενός VSC μετατροπέα Εάν η τάση εξόδου του μετατροπέα V t μεταβληθεί, με χρήση PWM διαμόρφωσης κατά φάση και γωνία με τους τρόπους που αναφέραμε,είναι δυνατή η παροχή οποιουδήποτε συνδυασμού ενεργού και άεργου ισχύος που βρίσκεται μέσα στον κύκλο. Η ακτίνα του κύκλου αναπαριστά τα ονομαστικά MVA του μετατροπέα. Οι δυνατότητες άεργου ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των ac τάσεων των δικτύων που συνδέονται στον μετατροπέα. Τέλος ελεγχόμενη πραγματική ισχύς μπορεί να μεταφερθεί και προς τις δυο κατευθύνσεις με ίση μέγιστη τιμή που περιορίζεται μονό από την ονομαστική ισχύ του μετατροπέα. 25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ VSC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3.1 Εισαγωγή Σε μια σύνδεση HVDC ο ανορθωτής ελέγχει την τάση της DC πλευράς και ο αντιστροφέας την ροη της πραγματικής ισχύος η όποια μπορεί να ρέει και προς τις δυο κατευθύνσεις. Αν επιπλέον οι μετατροπείς του χρησιμοποιούν IGBT s στις γέφυρες, δηλαδή πρόκειται για VSC -HVDC συστήματα τότε με την χρησιμοποίηση της PWM διαμόρφωσης, η άεργος ισχύς μπορεί και αυτή να ελεγχθεί και μάλιστα ανεξάρτητα της ενεργού ισχύος. Η ενεργός ισχύς μπορεί να ελεγχθεί μέσω της συνεχούς τάσης στη dc πλευρά ή μέσω της μεταβολής της συχνότητας στην ACπλευρά του μετατροπέα. Η ροή της άεργου ισχύος μπορεί να ελεγχθεί ξεχωριστά από κάθε μετατροπέα μέσω της εναλλασσόμενης τάσης αλλά και χειροκίνητα χωρίς μεταβολή της συνεχούς τάσης. Από όλα αυτά είναι φανερό ότι σε ένα HVDC σύστημα μπορούμε να ελέγξουμε την ροη της ενεργού και της άεργου ισχύος, την εναλλασσόμενη και την συνεχή τάση αλλά και την συχνότητα. Ειδικά η συχνότητα είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος για τον έλεγχο ενός HVDC συστήματος. Ανάλογα με τον ρολό που αυτή αναλαμβάνει, τα VSC συστήματα χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: VSC σύστημα με έλεγχο της συχνότητας: Η συχνότητα ρυθμίζεται από το σχήμα ελέγχου του VSC συστήματος. VSC σύστημα με μεταβλητή συχνότητα: Η συχνότητα λειτουργίας είναι μια μεταβλητή κατάστασης του γενικότερου συστήματος, εξαρτάται από το σημείο λειτουργίας και δεν μπορεί να ρυθμιστεί απευθείας. Αυτή η περίπτωση απαντάται στην σύνδεση ενός VSC-HVDC συστήματος με ηλεκτρική μηχανή. VSC σύστημα με σταθερή επιβαλλόμενη από το δίκτυο συχνότητα (gridimposed frequency VSC system): Το VSC-HVDC σύστημα διασυνδέεται με ένα άκαμπτο, μεγάλο ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο επιβάλλει και την συχνότητα λειτουργίας, η όποια θεωρείται σταθερή ή σχεδόν σταθερή. Στα συστήματα VSC που επιβάλλεται η συχνότητα του δικτύου, ο έλεγχος που μας ενδιαφέρει είναι αυτός της ροής ενεργού και άεργου ισχύος και ο έλεγχος της DC τάσης στην dc πλευρά των μετατροπέων. Ο μετατροπέας μπορεί να είναι δύο ή τριών επίπεδων. Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλύσουμε την χρήση του VSC συστήματος ως ελεγκτή άεργου και ενεργού ισχύος και σαν ελεγκτή της dc τάσης. Θα δούμε τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε κάθε περίπτωση και τα σχήματα ελέγχου. Στο επόμενο κεφαλαίο θα ασχοληθούμε με τον την σύνδεση αυτών των δυο ελεγκτών για την δημιουργία του back-to-back μετατροπέα. 26

3.2 Επιλογή Συστήματος Αναφοράς Ένας μονό PI ελεγκτής είναι σε θέση να οδηγήσει την γέφυρα ενός μετατροπέα ώστε να ακολουθήσει μια εντολή μιας DC ποσότητας. Όμως στον έλεγχο ενός VSC- HVDC συστήματος ενδιαφερόμαστε να παρακολουθήσουμε και να ελέγξουμε τάσεις και ρεύματα τα όποια είναι κατά κανόνα σε ημιτονοειδή μορφή. Έτσι δημιουργείται το δύσκολο πρόβλημα να ακολουθήσει η γέφυρα του μετατροπέα μια ημιτονοειδή εντολή. Για την απλούστευση του ελέγχου επομένως, χρησιμοποιούνται οι μετασχηματισμοί στα δισδιάστατα αβ και dq συστήματα αναφοράς από το τρισδιάστατο abc σύστημα στο οποίο εκφράζεται το σύστημα αρχικά. Στην ανάλυση και τον έλεγχο του VSC συστήματος μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το αβ σχήμα μετασχηματισμού. Αυτό μετατρέπει το πρόβλημα ελέγχου των 3 γεφυρών σε ένα ισοδύναμο πρόβλημα ελέγχου δύο υποσυστημάτων. Έτσι μειώνει των αριθμό των μεταβλητών που πρέπει να ελεγχθούν από τρεις σε δυο, ενώ επιτυγχάνεται και ταυτόχρονος αποσυζευγμένος έλεγχος της ενεργού και της άεργου ισχύος Όμως οι μεταβλητές ελέγχου δηλαδή τα σήματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του συστήματος είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις του χρόνου. Για να αποφύγουμε αυτή την δυσκολία χρησιμοποιούμε τον μετασχηματισμό Park και το dq μοντέλο για την παράσταση και τον έλεγχο του συστήματος. Στο dq μοντέλο οι μεταβλητές ελέγχου είναι DC ποσότητες σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Έτσι η σχεδίαση των ελεγκτών είναι πολύ πιο εύκολη υπόθεση καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλοί PI ελεγκτές. Με την προσθήκη αναλογικών ορών στους ελεγκτές επιτυγχάνουμε μηδενικό σφάλμα στην μόνιμη κατάσταση, που με το αβ μοντέλο είναι πολύπλοκη διαδικασία. Επιπλέον η χρήση του dq μοντέλου για τον έλεγχο και την ανάλυση των συστημάτων HVDC με σταθερή την συχνότητα είναι πιο κατάλληλη για μεγάλα ενεργειακά συστήματα. 3.3 Η δομή ενός VSC μετατροπέα με συχνότητα επιβαλλόμενη από το δίκτυο Η δομή ενός VSC συστήματος με σταθερή συχνότητα φαίνεται στο σχ. 3.1. Ο μετατροπέας VSC είναι είτε δυο είτε τριών επίπεδων. Αυτό δεν αλλάζει το δυναμικό μοντέλο του συστήματος με μονή διαφορά ότι ο τριών επίπεδων μετατροπέας απαιτεί την προσθήκη ενός επιπλέον βρόγχου ελέγχου για την σταθεροποίηση των τάσεων στους DC-πυκνωτές του μετατροπέα, στην μισή τιμή της τάσης στην dc- πλευρά των μετατροπέων. 27

Σχήμα 10.1: Σχηματικό διάγραμμα ενός VSC-HVDC συστήματος με επιβαλλόμενη από το δίκτυο συχνότητα Σε κάθε περίπτωση πάντως βλέπουμε ότι το VSC παριστάνεται με μια μονάδα επεξεργασίας ισχύος χωρίς απώλειες, έναν ισοδύναμο πυκνωτή στην dc πλευρά και μια πηγή ρεύματος που παριστά τις απώλειες λόγω λειτουργίας των μεταγωγικών διακοπτών (μπορεί να παραληφθεί). Κάθε φάση του VSC μετατροπέα συνδέεται σε ένα απείρως άκαμπτο δίκτυο μέσω εν σειρά R-L αντιδράσεων, που αναπαριστούν τις μη ιδανικές επαγωγικές αντιδράσεις εξομάλυνσης. Το AC δίκτυο παριστάνεται με μια ιδανική τριφασική πηγή τάσης σταθερής συχνότητας και ημιτονοειδούς μορφής. Η DC πλευρά του μετατροπέα μπορεί να συνδεθεί με μια πηγή συνεχούς τάσης ή μια πηγή συνεχούς ισχύος. Το VSC σύστημα ανταλλάσει πραγματική και άεργο ισχύ με το εναλλασσόμενο δίκτυο στο κοινό σημείο ένωσης (Point of Common Coupling, PCC). Από το σχήμα έχει απαλειφθεί ο μετασχηματιστής. Το μοντέλο του AC συστήματος θα αναφερθεί σε άλλο κεφάλαιο. Έτσι η τάση V sabc παριστάνει την τάση του AC δικτύου στο σημείο ένωσης με το VSC-HVDC σύστημα (PCC). Ανάλογα με την στρατηγική ελέγχου, το VSC-HVDC σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπως έχει αναφερθεί ως ελεγκτής ενεργού, άεργου ισχύος ή σαν ελεγκτής της DC τάσης. Σημείωση: Στα διακοπτικά στοιχεία των μετατροπέων VSC, αγνοούμε τις ωμικές τους αντιστάσεις, δηλαδή την αντίσταση r on. Άρα παρότι εμφανίζεται στα σχήματα αμελείται στις εξισώσεις. 28