HVDC Συστήµατα Μεταφοράς Ενέργειας

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ HVDC Συστήµατα Μεταφοράς Ενέργειας Εκπόνηση : Πανώρη Αναστασία Επιβλέπων καθηγητής : Π.Ν. Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη, 2010

2

Περίληψη Στην παρούσα διπλωµατική εργασία γίνεται µία εκτενής αναφορά στη διάρθρωση και τη λειτουργία των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, κρίθηκε απαραίτητη µία θεωρητική ανάλυση, η οποία περιλαµβάνει τη σύγκριση των HVDC συστηµάτων µε τα HVΑC, καθώς και µία αναφορά στις σηµαντικότερες υπάρχουσες εφαρµογές των HVDC συστηµάτων και πώς αυτές µπορούν να εξελιχθούν στο µέλλον. 3

Abstract In this thesis, an extensive reference to the structure and operation of HVDC electricity transmission systems is being made. Furthermore, a theoretical analysis, including the comparison between HVDC and HVAC transmission systems, as well as refering to the most significant excisting applications of HVDC systems and how these could be developed in the future, was considered essential. 4

Περιεχόµενα Περίληψη 3 Περιεχόµενα... 5 Πρόλογος 9 Κεφάλαιο 1 ο : Ιστορική εξέλιξη των συστηµάτων HVDC... 12 1.1 War of Currents. 12 1.2 Eπιστροφή στο DC.. 12 1.3 H διασύνδεση Gotland 14 1.4 Τα αρχικά HVDC συστήµατα µεταφοράς 16 1.5 Pacific HVDC Intertie. 16 1.6 Η νέα εποχή των HVDC συστηµάτων µεταφοράς 19 1.7 Τα HVDC συστήµατα µεταφοράς σήµερα. 21 Βιβλιογραφία 1ου κεφαλαίου. 23 Κεφάλαιο 2 ο : Κατηγοριοποίηση των HVDC συστηµάτων. 24 2.1 Back-to-back διασύνδεση 24 2.2 Two-Terminal ή Point-to-point µεταφορά. 25 2.2.1 Μονοπολική διασύνδεση.. 25 2.2.2 ιπολική διασύνδεση 26 2.2.2.1 ιπολική διασύνδεση µε χρήση της γης ως επιστροφή... 27 2.2.2.2 ιπολική διασύνδεση µε χρήση µεταλλικής επιστροφής. 28 2.2.2.3 ιπολική διασύνδεση χωρίς επιστροφή. 29 2.2.2.4 ιπολική διασύνδεση σε HVDC συστήµατα στα ±800kV 29 2.3 Multi-Terminal συστήµατα. 34 Βιβλιογραφία 2ου κεφαλαίου.. 38 Κεφάλαιο 3ο : ιάρθρωση των HVDC συστηµάτων µεταφοράς... 39 3.1 Μετατροπείς (Converters). 40 3.1.1 Γέφυρα 12-παλµών. 40 3.1.2 Μετατροπείς Φυσικής Μεταγωγής (Line-Commutated Current Source Converter, CSC).. 42 3.1.3 Μετατροπείς Μεταγωγής µέσω Πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters, CCC). 44 5

3.1.4 Μετατροπείς Εξαναγκασµένης Μεταγωγής (Self-Commutated Voltage Source Converters, VSC). 47 3.2 Φίλτρα. 54 3.2.1 AC Φίλτρα 54 3.2.2 DC Φίλτρα 57 3.3 Μετασχηµατιστές Μετατροπέων (Converter Transformers)... 58 3.4 Αυτεπαγωγές Εξοµάλυνσης (Smoothing reactors).. 62 3.5 Εκτροπείς υπερτάσεων (High Voltage Serge Arresters). 64 3.6 Σύστηµα Ελέγχου (HVDC Control).. 67 Βιβλιογραφία 3ου κεφαλαίου.. 69 Κεφάλαιο 4ο : Καλώδια HVDC 72 4.1 Τύποι καλωδίων 72 4.1.1 Καλώδια ελαίου.. 73 4.1.2 Καλώδια αερίου υπό πίεση. 74 4.1.3 Καλώδια χαρτιού εµβαπτισµένου σε λάδι.. 74 4.1.4 Καλώδιο δικτυωµένου πολυαιθυλενίου- XLPE. 78 4.2 Σύγκριση καλωδίων µε εναέριες γραµµές µεταφοράς (ΕΓΜ). 80 Βιβλιογραφία 4ου κεφαλαίου. 82 Κεφάλαιο 5ο : Σύγκριση µεταξύ HVDC και HVAC συστηµάτων µεταφοράς 84 5.1 Κόστος µεταφοράς ισχύος στα HVDC και HVAC συστήµατα µεταφοράς. 84 5.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά των HVDC και HVAC συστηµάτων µεταφοράς.. 88 5.2.1 Μεταφερόµενη ισχύς και απώλειες... 88 5.2.2 Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας µε υπόγεια ή υποθαλάσσια καλώδια.. 91 5.2.3 ιασύνδεση HVAC συστηµάτων.. 92 5.2.4 Επίπεδο ισχύος βραχυκύκλωσης. 94 5.2.5 Επιδερµικό φαινόµενο 94 5.3 Σταθερότητα και αξιοπιστία. 94 5.4 Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά.. 96 5.4.1 Επιδράσεις από ηλεκτρικά πεδία.. 97 5.4.2 Επιδράσεις από µαγνητικά πεδία. 98 5.4.3 Radio Interference.. 98 5.4.4 Θόρυβος... 98 5.4.5 Ρεύµατα εδάφους και φαινόµενα διάβρωσης. 99 6

5.4.6 Χρήση γης για εγκατάσταση υποσταθµών και γραµµών µεταφοράς, η οποία πιο πριν χρησιµοποιούταν για άλλους σκοπούς. 100 5.4.7 Οπτικές επιδράσεις. 101 5.4.8 Άλλου είδους επιδράσεις.. 102 5.5 Μειονεκτήµατα των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ενέργειας 102 5.6 Μετατροπή γραµµών µεταφοράς από HVΑC σε HVDC 103 Βιβλιογραφία 5ου κεφαλαίου. 107 Κεφάλαιο 6ο : Εφαρµογές των HVDC συστηµάτων µεταφοράς.. 109 6.1 Τροφοδότηση αστικών κέντρων (City Center Infeed) 111 6.2 Σύνδεση αποµακρυσµένων ΑΠΕ µε το δίκτυο 113 6.2.1 Υδροηλεκτρική ενέργεια 114 6.2.2 Αιολική ενέργεια Σύνδεση αποµακρυσµένων ανεµογεννητριών µε το δίκτυο.. 115 6.2.2.1 Τοπολογίες διασύνδεσης ανεµογεννητριών.. 118 6.2.2.2 Σφάλµατα κατά τη σύνδεση.. 120 6.2.2.3 Έλεγχος πολυτερµατικών HVDC συστηµάτων.. 123 6.2.2.4 Oικονοµική σύγκριση HVAC-HVDC συστηµάτων για τη διασύνδεση αιολικών πάρκων στο ac δίκτυο.. 126 6.3 Τροφοδότηση αποµακρυσµένων φορτίων.. 128 6.3.1 Νησιά του Αιγαίου.. 129 6.3.1.1 Κυκλάδες.. 130 6.3.1.2 Νησιά Βορείου Αιγαίου 134 6.3.1.3 Κρήτη. 134 6.3.2 Άλλες διασυνδέσεις νησιών.. 135 6.3.2.1 Gotland.. 135 6.3.2.2 Jeju. 136 6.4 ιασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας (GRITA).. 137 6.5 Υπερδιασυνδέσεις. 139 6.5.1 Eυρώπη 139 6.5.2 Ρωσία 143 6.5.2.1 ιασύνδεση Ρωσίας-Ιαπωνίας... 143 6.5.2.2 ιασύνδεση Ρωσίας-Κίνας. 144 6.5.2.3 ιασύνδεση της Σιβηρίας µε την Ανατολική Ρωσία 145 6.5.3 Aµερική 145 6.5.3.1 Βόρεια Αµερική 145 6.5.3.2 Νότια Αµερική.. 147 7

6.5.4 Ασία.. 149 6.5.4.1 Κίνα 149 6.5.4.2 Ινδία.. 152 6.5.5 Αυστραλία 154 6.5.6 Αφρική. 156 Βιβλιογραφία 6ου κεφαλαίου. 157 Συµπεράσµατα 160 8

Πρόλογος Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. κατά τη διάρκεια του ακαδηµαϊκού έτους 2009-2010. Αντικείµενό της είναι η θεωρητική ανάλυση της διάρθρωσης και της λειτουργίας των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και ο προσδιορισµός των πλεονεκτηµάτων, των µειονεκτηµάτων και των εφαρµογών τους. Στη σηµερινή εποχή, όπου παρατηρείται µία ραγδαία αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, οι εξελίξεις που παρατηρήθηκαν στον τοµέα των ηλεκτρονικών ισχύος, οδήγησαν σταδιακά σε µια αντίστοιχη ανάπτυξη των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Ανεφερόµενοι στην ιστορική εξέλιξη των HVDC συστηµάτων, παρατηρούµε ότι µετά την υλοποίηση της πρώτης HVDC διασύνδεσης το 1954, µε στόχο τη σύνδεση του νησιού Gotland µε το κύριο ηλεκτρικό δίκτυο της Σουηδίας, ακολούθησε µία πληθώρα νέων διασυνδέσεων, στις οποίες κάθε φορά παρουσιάζονταν και εφαρµόζονταν νέες τεχνολογίες, µε σκοπό τη βελτίωση της απόδοδσης των HVDC συστηµάτων. Γενικότερα, καινοτόµες ιδέες παρουσιάστηκαν όχι µόνο στον τοµέα των µετατροπέων, όπου είχαµε το πέρασµα από τα κλασσικά θυρίστορς στην εποχή των IGBTs, τα οποία προσέφεραν την πολύτιµη δυνατότητα ελέγχου της ενεργού και άεργου ισχύος, αλλά και σε πολλά από τα υπόλοιπα µέρη ενός HVDC υποσταθµού, όπως τα ΑC και DC φίλτρα, τους εκτροπείς υπερτάσεων κτλ. Επιπλέον, είναι κοινός τόπος ότι την εξέλιξη µιας τεχνολογίας συνακολουθούν και αντίστοιχες καινοτοµίες στις µορφές των διασυνδέσεων που εφαρµόζονται, σκοπεύοντας στην ικανοποίηση των διαφορετικών αναγκών που µπορεί να εµφανίζονται κάθε φορά. Έτσι, λοιπόν, και στην περίπτωση των HVDC συστηµάτων η ανάπτυξη για παράδειγµα των πολυτερµατικών συστηµάτων µεταφοράς ενέργειας προέκυψε σαν ένα φυσικό επακόλουθο της ολοένα αυξανόµενης χρήσης τους. Εκτος από τα πολυτερµατικά συστήµατα, που αποτελούν την πιο πρόσφατη εξέλιξη, υπήρξε αντίστοιχα ανάπτυξη και άλλων µορφών διασύνδεσης, όπως η back-to-back, 9

η µονοπολική και η διπολική, σε καθεµία από τις οποίες διαφαίνονται διαφορετικά πλεονεκτήµατα, µε αποτέλεσµα τη χρήση τους σε διαφορετικές εφαρµογές. Επιπροσθέτως, πρέπει να τονισθεί ότι σηµαντικό ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης των HVDC συστηµάτων έπαιξαν και τα HVDC καλώδια, καθώς αυτά βελτίωσαν τον τρόπο µεταφοράς ενέργειας και µείωσαν τις αρνητικές επιπτώσεις που είχε στο περιβάλλον η χρήση εναέριων γραµµών µεταφοράς. Στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής, κρίθηκε απαραίτητη και µια σύγκριση µεταξύ των HVDC και HVΑC συστηµάτων, ώστε να µπορέσει να δοθεί µια σαφέστερη και γενικότερη εικόνα, σχετικά µε τη χρησιµότητα και τα πλεονεκτήµατα που προσφέρουν τα HVDC συστήµατα. ίνονται απαντήσεις σε ερωτήµατα όπως γιατί σε µεγάλες αποστάσεις είναι οικονοµικά συµφέρουσα η λύση των HVDC ή επίσης γιατί είναι δύνατη η χρήση τους σε περιπτώσεις όπου η χρήση των HVΑC συστηµάτων είναι αδύνατη ή µη συµφέρουσα. Επιπλέον, µια βαθύτερη κατανόηση της φιλοσοφίας των HVDC συστηµάτων επιτυγχάνεται µέσα από την αναφορά και την ανάλυση των κυριότερων εφαρµογών τους. Η τροφοδότηση, η σύνδεση ΑΠΕ στο δίκτυο, όπως και η διασύνδεση νησιών µε το ηπειρωτικό δίκτυο αποτελούν κάποιες από τις εφαρµογές που αναλύονται εκτενέστερα στην παρούσα διπλωµατική. Επίσης, γίνεται αναφορά και στην ανάπτυξη των σύγχρονων υπερδικτύων (supergrids), καθώς και στις προοπτικές εξέλιξης των HVDC συστηµάτων, όπως αυτές διαµορφώνονται για τα επόµενα χρόνια. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται µια γενική εισαγωγή στην ιστορική εξέλιξη των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το πρώτο µέρος, που αποτελεί την τεχνική ανάλυση των HVDC συστηµάτων, περιλαµβάνει τα κεφάλαια 2, 3 και 4. Στα κεφάλαια 2 και 3 γίνεται αναφορά στην κατηγοριοποίηση και τη διάρθρωση των HVDC συστηµάτων αντίστοιχα, ενώ το κεφάλαιο 4 περιλαµβάνει την ανάλυση των τύπων HVDC καλωδίων που χρησιµοποιούνται. Το δεύτερο µέρος της εργασίας, αναφέρεται κυρίως στη θεωρητική ανάλυση των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελείται από τα κεφάλαια 5 και 6. Στο κεφάλαιο 5 προσδιορίζονται οι διαφορές µεταξύ των HVDC και HVDΑC συστηµάτων, ενώ µία αρκετά εκτενής περιγραφή των εφαρµογών των HVDC συστηµάτων γίνεται στο κεφάλαιο 6. 10

Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω προς τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Π.Ν. Μικρόπουλο, για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε µε την ανάθεση της διπλωµατικής εργασίας και για τις πολύτιµες συµβουλές που µου προσέφερε κατά τη διάρκεια εκπόνησής της. Επίσης, ευχαριστίες θέλω να εκφράσω και προς την οικογένειά µου και τους φίλους µου, που µου συµπαραστάθηκαν όλον αυτόν τον καιρό. 11

Κεφάλαιο 1 ο : Ιστορική εξέλιξη των συστηµάτων HVDC Η ιστόρική εξέλιξη των συστηµάτων HVDC παρουσίαζει ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς τα µεγαλύτερα και σηµαντικότερα βήµατα στην εξέλιξή τους έχουν πραγµατοποιηθεί τις τελευταίες δεκαετίες. 1.1 War of Currents Η έναρξη της µεταφοράς ηλέκτρικής ενέργειας βρίσκεται στις αρχές του 1880 µέσω της χρήσης συνεχούς τάσης. H πρώτη µεγάλου µήκους µεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας έγινε το 1882 µέσω συνεχούς ρεύµατος, στη σύνδεση Miesbach-Munich, στην οποία είχαµε µεταφορά ισχύος 2.5kW. Ο ανταγωνισµός όµως, µεταξύ Thomas Edison, υποστηρικτή της χρήσης της DC τάσης, και των Nikola Tesla και George Westinghouse, οι οποίοι θεωρούσαν πιο συµφέρουσα τη χρήση της εναλλασσόµενης τάσης για τη µεταφορά ενέργειας, γνωστός και ως War of currents, περί τα τέλη του 1880, ανέδειξε σαν µεγάλο νικητή το AC ρεύµα. Αυτό είχε σαν αποτελέσµα να καθυστερήσει η ανάπτυξη των DC συστηµάτων, αφόυ δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη των εφαρµογών της AC τάσης. Τελικά, η δυνατότητα καθοδήγησης των DC τάσεων, και κατά συνέπεια η χρήση τους σε διάφορες εφαρµογές, δεν έγινε εφικτή παρά µόνο όταν υπήρξε και η αντίστοιχη ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών µεγάλης ισχύος, όπως διόδων ατµών υδραργύρου (mercury arc valves), θυρίστορς, διπολικών τρανζίστορ µε µονωµένη πύλη (insulated-gate bipolar transistors, IGBTs), υψηλής µεταφορικής ικανότητας τρανζίστορ µεταλλικών οξειδίων ηµιαγωγών µε επίδραση πεδίου (power metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSFETs) και θυρίστορ µε σβέση ελεγχόµενη από την πύλη (gate turn-off thyristors, GTOs). 1.2 Επιστροφή στο DC Το 1889, µία αρχική µέθοδος HVDC µεταφοράς, την οποία είχε αναπτύξει ο ελβετός µηχανικός Rene Thury, τέθηκε σε εφαρµογή στην Ιταλία από την εταιρία Acquedotto De Ferrari-Galliera. Το σύστηµα αυτό χρησιµοποιούσε 12

συνδεδεµένα σε σειρά ζεύγη κινητήρων-γεννητριών µε σκοπό την αύξηση της τάσης και µετέφερε 630kW στα 14kV DC σε µια απόσταση 120km [1] (εικ.1.1). Εικόνα 1.1: ιάγραµµα της εγκατάστασης Thury, 1889 [2]. Το επόµενο σηµαντικό έργο ήταν η γραµµή σύνδεσης Mountiers-Lyon στη Γαλλία, η οποία λειτούργησε από το 1906 έως και το 1936. Η γραµµή αυτή συνέδεε τον υδροηλεκτρικό σταθµό Mountiers, ο οποίος περιελάµβανε 8 γεννήτριες συνδεδεµένες σε σειρά, µεταφέροντας 8600kW σε απόσταση 200km µε τάση ανάµεσα στους πόλους 150kV [2]. Μέχρι το 1913 τέθηκαν σε εφαρµογή 15 συστήµατα Thury µε τάσεις που έφταναν τα 100kV DC και τα οποία λειτούργησαν µέχρι και το 1930. Το υψηλό κόστος συντήρησης καθώς και οι µεγάλες απώλειες σε ενέργεια, οδήγησαν στην απόσυρση των συστηµάτων αυτών, τα οποία δεν κατάφεραν να έχουν µεγάλη εµπορική επιτυχία [2]. Η επόµενη εποχή των HVDC συστηµάτων µεταφοράς ξεκίνησε όταν είχαµε την ανάπτυξη της διόδου ατµού υδραργύρου (εικ.1.2). Το 1941 για την πόλη 13

του Βερολίνου σχεδιάστηκε µια σύνδεση µε θαµµένα καλώδια 60MW, +/- 200kV, 115km. Το σχέδιο αυτό όµως, δεν υλοποιήθηκε ποτέ και τελικά ο εξοπλισµός µεταφέρθηκε στη Σοβιετική Ένωση, όπου και τέθηκε σε λειτουργία το 1951 (σύνδεση Moscow-Kashira). Εικόνα 1.2: Αρχική δίοδος ατµού υδραργύρου για την HVDC διασύνδεση [3]. 1.3 H διασύνδεση Gotland Η εισαγωγή των διόδων ατµού υδραργύρου σε εµπορικές εφαρµογές ξεκίνησε το 1954 µε το σχέδιο σύνδεσης της Σουηδίας µε το νησί Gotland (εικ.1.3). Εικόνα 1.3: ίοδοι ατµών υδραργύρου στην πρώτη διασύνδεση Gotland [3],[4]. 14

Από την τεχνολογία των υπάρχοντων AC συστηµάτων µόνο ένα µικρό µέρος τους µπορούσε να χρησιµποιηθεί στο νέο αυτό DC σύστηµα. Έτσι, ήταν αναγκαία η ανάπτυξη εντελώς νέων τεχνολογιών, η οποία και ξεκίνησε να πραγµατοποιείται υπό την επίβλεψη των Dr.Erich Uhlmann και Dr.Harry Forsell στις αρχές του 1950. Επειδή το Gotland ήταν νησί, ήταν απαραίτητη η χρήση υποθαλάσσιων DC καλωδίων. Έτσι, στο «κλασσικό» καλώδιο που είχε ως µόνωση εµβαπτισµένο χαρτί και το οποίο χρησιµοποιούνταν από το 1895 για λειτουργία στα 10kV AC, πραγµατοποιήθηκαν αλλαγές µε σκοπό την εξέλιξή του, οι οποίες θα έδιναν τη δυνατότητα χρήσης του πλέον ως υποθαλάσσιο καλώδιο στα 100kV DC (εικ.1.4). Εικόνα 1.4: Τοποθετώντας το καλώδιο για τη διασύνδεση Gotland [3]. Τελικά το 1954, µετά από 4 χρόνια καινοτόµου δράσης αποπερατώθηκε και τέθηκε σε λειτουργία η HVDC σύνδεση Gotland µε ονοµαστικά στοιχεία 20MW, 200A και 100kV [5]. Η σύνδεση αυτή λειτούργησε µε µεγάλη επιτυχία για 28 χρόνια µέχρι την τελική κατάργησή της το 1986. Εν τω µεταξύ δύο νέες συνδέσεις µεταξύ του νησιού και της Σουηδίας έχουν τεθεί σε λειτουργία, η µία το 1983 και η άλλη το 1987. 15

1.4 Τα αρχικά HVDC συστήµατα µεταφοράς Στη δεκαετία του 1950 οι αρχές ενέργειας της Μ.Βρετανίας και της Γαλλίας συµφώνησαν στο σχεδιασµό ενός συστήµατος µεταφοράς ενέργειας µέσω της θάλασσας της Μάγχης και διάλεξαν επίσης την HVDC µεταφορά, αυτή τη φορά για µία σύνδεση των 160MW. Κατά τη δεκαετία του 1960 πολλές ήταν οι νέες συνδέσεις HVDC που υλοποιήθηκαν [3] : - Konti-Skan µεταξύ Σουηδίας και ανίας (1964) - Sakuma στην Ιαπωνία (µε µετατροπείς 50/60Hz) (1965) - ιασύνδεση Νέας Ζηλανδίας µεταξύ των Βόριων και των Νότιων νησιών (1965) - ιασύνδεση Ιταλίας-Σαρδηνίας (1965) - Vancouver Island link στον Καναδά (1968) Το 1967 µία από τις διόδους ατµού υδραργύρου στη σύνδεση Gotland αντικαταστάθηκε µε µία συστοιχία θυρίστορ. Ήταν η πρώτη φορά που γινόταν χρήση τέτοιου είδους συστοιχίας και µετά από δοκιµαστική λειτουργία ενός έτους έγινε αντικατάσταση όλων των διόδων ατµού υδραργύρου µε συστοιχίες θυρίστορ αυξάνοντας έτσι την ικανότητα µεταφοράς της γραµµής σύνδεσης κατά 50%. Παράλληλα µετά την διεξαγωγή δοκιµών στα καλώδια της σύνδεσης, παρατηρήθηκε ότι ήταν δυνατή η αύξηση της τάσης µεταφοράς από τα 100kV στα 150kV. Το νέο βελτιωµένο αυτό σύστηµα µεταφοράς στα 150kV τέθηκε σε λειτουργία την άνοιξη του 1970, µετά την σύνδεση σε σειρά των νέων συστοιχιών θυρίστορ µε τις υπάρχουσες διόδους ατµού υδραργύρου [3]. 1.5 Pacific HVDC Intertie Σηµαντικό ρόλο στην εξελικτική πορία των HVDC συστηµάτων µεταφοράς έπαιξε και η κατασκευή της Pacific HVDC Intertie (PDCI), µεταξύ των σταθµών Sylmar στο Calif και του Celilo Converter Station in The Dalles στο Oregon [4]. O σχεδιασµός του PDCI ξεκίνησε στις αρχές του 1960 και η συµφωνία για την υλοποίηση του σχεδίου αυτού υπογράφηκε το 1964 και περιελάµβανε την κατασκευή σύνδεσης µεταφορικής ικανότητας 1440MW στα +/-400kV και 16

1600A (εικ.1.7). Η κατασκευή των 846 µιλίων της µεταφορικής γραµµής γινόταν παράλληλα µε την κατασκευή των τερµατικών σταθµών και ακολουθούσε την πορεία που φαίνεται στην εικόνα 1.5. Το σύστηµα των διόδων του PDCI ήταν αρκετά µεγαλύτερο από αυτό που είχε χρησιµοποιηθεί στη σύνδεση Gotland (εικ.1.6). Εικόνα 1.5: The Pacific Northwest-Southwest Intertie Το 1970 οι εργασίες κατασκευής του PDCI διακόπηκαν λόγω ενός µεγάλου σεισµού που έγινε στο Sylmar. Παρόλ αυτά το έργο συνεχίστηκε και µετά τη λειτουργία του άρχισαν να φαίνονται τα πλεονεκτήµατα που αυτό προσέφερε. Η εποχιακή ανταλλαγή ενέργειας ήταν ένα από τα σηµαντικότερα, καθώς ο βορράς είχε να προσφέρει πλεόνασµα ηλεκτρικής ενέργειας το καλοκαίρι και την άνοιξη, την οποία την είχε ανάγκη ο νότος για να καλύψει τις ανάγκες του σε φορτίο, λόγω της χρήσης κλιµατιστικών. Αντίστοιχα, το χειµώνα ο βορράς µπορούσε να καλύψει τα φορτία του για θέρµανση, εφόσον υπήρχε πλεόνασµα ηλεκτρικής ενέργειας στο νότο. 17

Εικόνα 1.6: PDCI 133kV δίοδος ατµού υδραργύρου [4]. Εικόνα 1.7: Pacific HVDC Intertie,1970-1984 [4]. Μετά από προσεκτική µελέτη και τροποποίηση του σχεδιασµού του µετατροπέα, το 1977 επιτεύχθηκε αύξηση της µεταφορικής ικανότητας του συστήµατος διασύνδεσης στα 2000Α και 1600ΜW. Το 1984 τοποθετήθηκαν πρόσθετοι µετατροπείς και συστοιχίες υδρόψυκτων θυρίστορ (water cooling), γεγονός που είχε σαν αποτέλεσµα η ονοµαστική λειτουργία του PDCI πλέον να γίνεται στα +/-500kV, 2000A και 2000MW όπως φαίνεται και στο σχήµα της εικόνας 1.8. 18

Εικόνα 1.8: Pacific HVDC Intertie,1984-1989 [4]. Μία περεταίρω αύξηση της µεταφορικής ικανότητας της σύνδεσης στα 3100MW πραγµατοποιήθηκε το 1989 µε την προσθήκη παράλληλων µετατροπέων (εικ.1.9). Εικόνα 1.9: Pacific HVDC Intertie,1989-2004 [4]. 1.6 Η νέα εποχή των HVDC συστηµάτων µεταφοράς Στα µέσα του 1970, η Brown Boveri (BBC), η οποία αργότερα συγχονεύτηκε µε την ASEA για να δηµιουργήσουν την ABB τελικά, συνεργάστηκε µε την SIEMENS και την AEG για να κατασκευάσουν την HVDC σύνδεση Cahora Bassa (1920MW) µεταξύ της Μοζαµβίκης και της Νοτίου Αφρικής. H ίδια 19

οµάδα αργότερα κατασκεύασε και την σύνδεση Nelson River 2 στον Καναδά, η οποία ήταν και η πρώτη που χρησιµοποίησε υδρόψυκτες HVDC διόδους [3]. Ένα από τα µεγαλύτερα HVDC σύστηµα µεταφοράς είναι η HVDC σύνδεση Itaipu στη Βραζιλία στα +/-600kV (εικ.1.10). Το σχέδιο αυτό ανατέθηκε στη σύµπραξη ASEA-PROMON το 1979 και ολοκληρώθηκε τελικά µετά από αρκετά στάδια το 1984, όπου και τέθηκε σε λειτουργία. Η διασύνδεση αυτή παίζει σηµαντικό ρόλο στην ενεργειακή σκηνή της Βραζιλίας, καθώς προµηθεύει µε ένα µεγάλο ποσό ενέργειας την πόλη του Σάο Πάολο. Το επίπεδο πολυπλοκότητας του σχεδίου αυτού ήταν αρκετά υψηλό και έπαιξε έναν σηµαντικό ρόλο για την ανάπτυξη της νέας εποχής των HVDC συστηµάτων µεταφοράς. Εικόνα 1.10: ιασύνδεση Itaipu, Βραζιλία [6]. Στα τέλη του 1980 και στις αρχές του 1990, το σχέδιο για την κατασκευή της σύνδεσης Quebec-New England αποτέλεσε ένα ακόµα σηµαντικό σταθµό στην εξέλιξη των HVDC συσηµάτων, επειδή αυτή ήταν και η πρώτη φορά που χρησιµοποιήθηκε πολυτερµατικό HVDC σύστηµα µεταφοράς. Βέβαια, παράλληλα µε την ανάπτυξη και εξέλιξη των τερµατικών σταθµών παρουσιαζόταν αντίστοιχα και βελτίωση στα καλώδια HVDC. Τα πιο ισχυρά HVDC υποθαλάσσια καλώδια σήµερα είναι της τάξεως των 700 µε 800MW στα 450 µε 500kV και έχουν µορφές αντίστοιχες µε αυτές που φαίνονται στις εικόνες 1.11 και 1.12. 20

Εικόνα 1.11: Υποθαλάσσιο καλώδιο που χρησιµοποιήθηκε στην 600MW υποθαλάσσια HVDC διασύνδεση µεταξύ Γερµανίας και Σουηδίας [3]. Εικόνα 1.12: Καλώδιο HVDC Light [3]. 1.7 Τα HVDC συστήµατα µεταφοράς σήµερα Ένα από τα πιο πρόσφατα στάδια εξέλιξης των HVDC συστηµάτων ήταν η εισαγωγή των µετατροπέων µεταγωγής µέσω πυκνωτών (capacitor commutated converters, CCC) και ήταν ουσιαστικά η πρώτη βασική αλλαγή που έγινε στην τεχνολογία του αρχικού συστήµατος HVDC του 1954. Το πρώτο πρόγραµµα που υλοποιήθηκε µε την χρήση των CCC ήταν ο back-toback σταθµός Garabi στη διασύνδεση Βραζιλίας-Αργεντινής. Μία άλλη µεγάλη καινοτοµία στα συστήµατα HVDC ήταν και η αντικτάσταση των θυρίστορ µε µετατροπείς εξαναγκασµένης µεταγωγής (voltage source converters, VSC). Η αλλαγή όµως αυτή θα έπρεπε να συνοδευτεί από µία γενικότερη αλλαγή στο σχεδιασµό των HVDC συστηµάτων. Το 1994, η ΑΒΒ επικέντρωσε το αναπτυξιακό της έργο στους VSC µετατροπείς µε ένα έργο, που σκοπό είχε την εφαρµογή δύο µετατροπέων, 21

βασιζόµενων σε IGBTs, σε ένα µικρής κλίµακας σύστηµα HVDC. Τελικά, το 1997 µετά από αρκετά πειράµατα και µελέτες το πρώτο VSC HVDC (HVDC Light) σύστηµα τέθηκε σε λειτουργία µεταξύ των σταθµών Hellsjoen και Graengesberg στη Σουηδία. Επίσης, µέσα στο 2010 θα τεθεί σε λειτουργία και η πρώτη HVDC Light διασύνδεση που θα χρησιµοποιεί εναέριες DC γραµµές µεταφοράς, στη σύνδεση Caprivi στη Ναµίµπια. Τέλος, µία συνοπτική εικόνα της εξάλιξης των HVDC συστηµάτων µεταφοράς φαίνεται και στο παρακάτω σχεδιάγραµµα της εικόνας 1.13. Εικόνα 1.13: Σχηµατική εξέλιξη των HVDC συστηµάτων µεταφοράς [7]. 22

Βιβλιογραφία 1 ου κεφαλαίου [1] http://en.wikipedia.org/wiki/hvdc [2] Drobik T. : High-voltage direct current transmission lines. IEEE Conference Publishing ul.pulaskiego 32/13, Poland. http://eeeic.eu/proc/papers/69.pdf [3] Αsplund G., Carlsson L. : ABB from pioneer to world leader. ABB Review 4/2008, 59-64. [4] Litzenberger W. : A short history of the Pacific HVDC Intertie. Power Systems Conference and Exposition, 2006. PSCE '06, 2006 IEEE PES, Oct. 29 2006-Nov. 1 2006, p.24-27,atlanta, GA. [5] Mικρόπουλος Π. : HVDC Συστήµατα Μεταφοράς. 2005, Πανεπιστηµιακές παραδόσεις. [6] Rudervall R., Charpentier J.P., Sharma R. : High Voltage Direct Current(HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper. http://www.twolf.com/pub/energy/technology_abb.pdf [7] Kondjamba P. A. : Investigation of the feasibility of HVDC transmission to supply Western Cape. University of Cape Town, 2006. 23

Κεφάλαιο 2 ο : Κατηγοριοποίηση των HVDC συστηµάτων Τα HVDC συστήµατα µεταφοράς µπορούν να χωριστούν σε επιµέρους κατηγορίες, ανάλογα µε το είδος της σύνδεσης των µετατροπέων και των υποσταθµών, από τα οποία αποτελούνται, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.1. Εικόνα 2.1: Κατηγορίες HVDC συστηµάτων [1]. 2.1 Βack-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. Στην Βack-to-back διασύνδεση δεν χρησιµοποιείται γραµµή ή καλώδιο µεταφοράς ανάµεσα στους µετατροπείς [2]. 24

Εικόνα 2.2: Back-to-back ιασύνδεση, ΑΒΒ [3]. Η χρήση αυτού του τύπου διασύνδεσης προτιµάται κυρίως όταν θέλουµε να συνδέσουµε δύο ασύγχρονα δίκτυα [3] (εικ.2.2), όπως στην περίπτωση της Ιαπωνίας όπου έχουµε την σύνδεση δικτύων µε συχνότητες 50Hz και 60Hz αντίστοιχα. Επίσης, η Βack-to-back διασύνδεση χρησιµοποιείται και στην περίπτωση όπου τα δίκτυα που θέλουµε να συνδέσουµε έχουν δαφορετική φιλοσοφία στον τρόπο ελέγχου τους. 2.2 Μεταφορά δύο τερµατικών (Two-Terminal) ή Σηµείο-προς-σηµείο (Point-to-point) Σε αυτού του είδους τη µεταφορά έχουµε τη σύνδεση δύο αποµακρυσµένων AC δικτύων και η HVDC διασύνδεση που χρησιµοποιείται µπορεί να είναι είτε µονοπολική, είτε διπολική. 2.2.1 Μονοπολική διασύνδεση Αποτελεί τον πιο απλό και φθηνό τρόπος διασύνδεσης. Στην µονοπολική διασύνδεση οι δύο µετατροπείς συνδέονται µε έναν µόνο αγωγό, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.3. 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 [4]. 25

Εικόνα 2.3: Μονοπολική διασύνδεση [5]. Οι κυριότερες ανησυχίες που υπάρχουν για αυτόν τον τρόπο διασύνδεσης οφείλονται στην πιθανότητα : - µέρος του ρεύµατος επιστροφής να ρέει σε γειτονικούς µεταλλικούς αγωγούς, όπως σωλήνες ύδρευσης ή φυσικού αερίου, και µε αυτόν τον τρόπο να προκαλέσει τη διάβρωσή τους. - το µεταβαλλόµενο µαγνητικό πεδίο που δηµιουργείται, µπορεί να επηρεάσει και να προκαλέσει διαταραχές σε ηλεκτρονικά συστήµατα πλοήγησης πλοίων και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς και στους έµβιους οργανισµούς των γύρω περιοχών. 2.2.2 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 (εικ.2.4), άρα έχουµε τη χρήση δύο αγωγών, εκ των οποίων το ένα λειτουργεί µε τάση θετικής πολικότητας και το άλλο µε τάση αρνητικής πολικότητας. Εικόνα 2.4: ιπολική διασύνδεση [5]. 26

Παρόλο που το κόστος κατασκευής της διπολικής διασύνδεσης είναι µεγαλύτερο σε σχέση µε τη µονοπολική, αυτή προσφέρει τα παρακάτω πλεονεκτήµατα : - µείωση των απωλειών λόγω του ρεύµατος επιστροφής και των επιδράσεων στο περιβάλλον. - σε περίπτωση σφάλµατος στη µία γραµµή µπορούµε να εξακολουθούµε να έχουµε λειτουργία της σύνδεσης ως µονοπολική. 2.2.2.1 ιπολική διασύνδεση µε χρήση της γης ως επιστροφή Αυτή είναι και η πιο συχνά χρησιµοποιούµενη κατηγορία διασύνδεσης (εικ.2.5). Το σύστηµα αυτό προσφέρει µία αυξηµένη ελαστικότητα µε σκοπό κυρίως, τη δυνατότητα λειτουργίας του και στις περιπτώσεις όπου έχουµε µειωµένη µεταφορική ικανότητα λόγω σφαλµάτων ή κατά τη διάρκεια της συντήρησης του. Εικόνα 2.5: ιπολική διασύνδεση µε χρήση της γης ως επιστροφή (Siemens) [6]. Σε περίπτωση σφάλµατος στον ένα πόλο, µπορούµε να έχουµε τη λειτουργία του άλλου πόλου (σαν µονοπολική διασύνδεση), ο οποίος θα χρησιµοποιεί την γείωση ως επιστροφή και έτσι να καταφέρουµε να αποµονώσουµε το σφάλµα (εικ.2.6). 27

Εικόνα 2.6: Περίπτωση σφάλµατος στον ένα πόλο (Siemens) [6]. Όταν παρατηρείται σφάλµα σε κάποιον µετατροπέα του ενός πόλου, θα εξακολουθήσουµε να έχουµε όπως και πριν τη λειτουργία του δεύτερου πόλου σαν σε µονοπολική διασύνδεση. Σε αυτή όµως την περίπτωση, αντί να έχουµε ως επιστροφή τη γη, χρησιµοποιούµε ως µεταλλική επιστροφή το καλώδιο του πόλου, στο µετατροπέα του οποίου εµφανίστηκε το σφάλµα, όπως δείχνει και το σχήµα της εικόνας 2.7. Εικόνα 2.7: Περίπτωση σφάλµατος σε κάποιον µετατροπέα του ενός πόλου (Siemens) [6]. 2.2.2.2 ιπολική διασύνδεση µε χρήση µεταλλικής επιστροφής Εάν υπάρχουν περιορισµοί σχετικά µε τη χρήση της γης ως επιστροφή ή σε περίπτωση όπου η απόσταση µεταφοράς είναι σχετικά µικρή µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένας αγωγός LVDC (Low Voltage DC) ως επιστροφή στην περίπτωση της µονοπολικής λειτουργίας (εικ.2.8). 28

Εικόνα 2.8: ιπολική διασύνδεση µε χρήση µεταλλικής επιστροφής (Siemens) [6]. 2.2.2.3 ιπολική διασύνδεση χωρίς επιστροφή Σε αυτήν τη διασύνδεση δεν χρησιµοποιείται ούτε η γη, ούτε κάποιος άλλος µεταλλικός αγωγός ως επιστροφή (εικ.2.9). Αυτή η δισύνδεση δίνει και το µικρότερο αρχικό κόστος κατασκευής. Μονοπολική λειτουργία είναι εφικτή σε περίπτωση σφάλµατος σε κάποιον από τους µετατροπείς, αλλά όχι και στην περίπτωση σφάλµατος σε κάποια από τις γραµµές HVDC που υπάρχουν. Εικόνα 2.9: ιπολική διασύνδεση χωρίς επιστροφή (Siemens) [6]. 2.2.2.4 ιπολική διασύνδεση σε HVDC συστήµατα στα ±800kV Ένα πολύ σηµαντικό κοµµάτι των HVDC συστηµάτων µεταφοράς είναι αυτό των HVDC συστηµάτων των ±800kV. Στην πράξη δεν έχουν εφαρµοστεί ακόµα συστήµατα ±800kV, αλλά αναµένεται µε µεγάλο ενδιαφέρον η κατασκευή του πρώτου από αυτά, στην Κίνα, που θα τεθεί σε λειτουργία το 2011 [7]. Η θεωρητική µελέτη αυτού του είδους συστηµάτων µέχρι τώρα, έχει δείξει ότι αυτά µπορούν να θεωρηθούν αρκετά ελκυστικά για µεταφορά ισχύος µεγαλύτερης των 6000MW και σε απόσταση πάνω από 1000km. Επιπλέον, 29

ως κατάλληλο είδος διασύνδεσης για την υλοποίησή τους µπορεί να επιλεγεί µόνο διπολική διασύνδεση µε µετατροπείς 12-παλµών [8] (εικ.2.10). Εικόνα 2.10: Μετατροπέας 12-παλµών [8]. Η επιλογή της κατάλληλης διπολικής διασύνδεσης προσδιορίζεται µε βάση τα παρακάτω στοιχεία [9] : το ποσό της ενέργειας που θα πρέπει να µεταφέρεται την απόσταση στην οποία θα γίνεται η µεταφορά τα επιµέρους στάδια διεκπεραίωσης του προγράµµατος το ποσό της ενέργειας που θα πρέπει να µεταφέρεται σε κάθε επιµέρους στάδιο τις απαιτήσεις αξιοπιστίας και διαθεσιµότητας την αξιολόγηση των απωλειών Γενικά, προτιµότερη θεωρείται η χρήση περισσότερων του ενός µετατροπέα ανά πόλο, κυρίως λόγω [8] : της µείωσης των διαταραχών σε σφάλµατα της αύξησης της αξιοπιστίας και της διαθεσιµότητας της µεταφοράς των περιορισµών που τίθενται για το µέγεθος και το βάρος των µετασχηµατιστών των µετατροπέων Α) ιπολική διασύνδεση µε ένα µόνο µετατροπέα 12-παλµών ανά πόλο [9] Σε αυτήν την περίπτωση (εικ.2.11), έχουµε µία διασύνδεση, η οποία είναι παρόµοια µε την κοινή διπολική που χρησιµοποιείται στα HVDC συστήµατα 30

των ±500kV µε ισχείς που φτάνουν τα 3000MW. Στα ±800kV η ισχύς που µπορεί να µεταφερθεί φτάνει µέχρι και τα 6000MW. (α) [9] (β) [7] Εικόνα 2.11: ιπολική διασύνδεση µε ένα µόνο µετατροπέα 12-παλµών ανά πόλο. Είναι πρόδηλο, ότι τα στάδια υλοποίησης αυτού του προγράµµατος περιορίζονται στην κατασκεύη ενός πόλου ακολουθούµενου από έναν δεύτερο. Αντίστοιχα, το µέγιστο ποσό της µεταφερόµενης ισχύος στο ενδιάµεσο στάδιο κατασκευής, στην περίπτωση που έχουµε δύο στάδια, θα είναι το µισό της ονοµαστικής ισχύος που αντιστοιχεί στη διπολική διασύνδεση συν την υπερφόρτιση. Όσον αφορά την αξιοπιστία του συστήµατος, κατά τη λειτουργία του σε ισχύ 3000MW, απώλεια του ενός πόλου θα σήµαινε απώλειες 1500MW. Παρόλ αυτά όµως, καθώς εµείς αυξάνουµε τη µεταφερόµενη ισχύ στα 6000MW, περίπτωση σφάλµατος στον ένα πόλο θα σηµαίνει πλέον απώλεια 3000MW, που είναι αρκετά µεγάλο ποσό ισχύος. Επίσης, σε αυτού του είδους την διπολική διασύνδεση η αξιολόγηση απωλειών δεν αποτελεί ζήτηµα, επειδή το σύστηµα λειτουργεί εξ αρχής στην ολική τάση µεταφοράς. Β) ιπολική διασύνδεση µε δύο µετατροπείς 12-παλµών σε σειρά ανά πόλο [9] Πρόκειται για ένα είδος διασύνδεσης, όπου η ονοµαστική τάση των δύο µετατροπέων ανά πόλο που θα χρησιµοποιούνται µπορεί να είναι είτε ίδιου, είτε διαφορετικού επιπέδου (εικ.2.12). Για παράδειγµα, στα 800kV θα 31

µπορούσε να γίνει χρήση όλων των πιθανών συνδυασµών: 400kV και 400kV, 500kV και 300kV, 600kV και 200kV. (α) [9] (β) [7] Εικόνα 2.12: ιπολική διασύνδεση µε δύο µετατροπείς 12-παλµών σε σειρά ανά πόλο. Eστιάζοντας κυρίως, στη χρήση µετατροπέων µε ίδιο επίπεδο τάσης, µπορούν να προκύψουν τα παρακάτω συµπεράσµατα : - η ενέργεια που θα µπορεί να µεταφερθεί µπορεί να είναι έως και 6000MW. Τα οικονοµικά κριτήρια είναι αυτά που θα προσδιορίσουν το ελάχιστο ποσό της µεταφερόµενης ενέργειας. - η απόσταση µεταφοράς δεν αποτελεί πρόβληµα εφόσον η µεταφορά θα γίνεται στα 800kV. - µε αυτού του είδους την διασύνδεση τα στάδια κατασκευής του συστήµατος θα προσφέρουν περισσότερους δυνατούς συνδυασµούς, γεγονός που το κάνει πιο ελαστικό. - το σύστηµα θα έχει µεγαλύτερη αξιοπιστία, επειδή η απώλεια ενός πόλου, που είναι και το πιο συνηθισµένο σφάλµα, θα αποτελεί µόνο το 25% της συνολικής µεταφορικής ικανότητας. - η αξιολόγηση των απωλειών και εδώ, όπως και πριν, δεν θα αποτελεί θέµα. - στην περίπτωση αυτή το µέγεθος και το βάρος των µετασχηµατιστών των µετατροπέων θα είναι διαχειρίσιµο. 32

Γ) ιπολική διασύνδεση µε δύο παράλληλους µετατροπείς 12-παλµών ανά πόλο [9] Αναµφίβολα, αυτή η κατηγορία διασύνδεσης µπορεί να προσεγγισθεί σαν δύο επιµέρους διπολικές διασυνδέσεις ίδιας πολικότητας ανά πόλο, οι οποίες συνδέονται παράλληλα (εικ.2.13). Κάθε πόλος θα λειτουργεί πάντα στα 800kV, γεγονός που θα έχει ως αποτέλεσµα λιγότερες απώλειες κατά τη διάρκεια σφάλµατος σε κάποιον µετατροπέα. Η παραπάνω διαπίστωση αποτελεί και µία διαφορά που παρατηρείται ανάµεσα στην παράλληλη και την εν σειρά σύνδεση των µετατροπέων. Όταν οι µετατροπείς συνδέονται σε σειρά, ένα σφάλµα που µπορεί να θέσει εκτός λειτουργίας έναν από αυτούς θα έχει ως αποτέλεσµα η τάση λειτουργίας του άλλου να µειωθεί στο µισό της αρχικής, έχοντας ως συνέπεια αύξηση των απωλειών κατά τη µεταφορά του ίδιου ποσού ισχύος. (α) [9] (β) [7] Εικόνα 2.13: ιπολική διασύνδεση µε δύο παράλληλους µετατροπείς 12-παλµών ανά πόλο. Επιπλέον, για την ίδια µεταφερόµενη ισχύ, παρόλο που το ρεύµα της DC γραµµής θα είναι ίδιο και στις δύο διασυνδέσεις, στην περίπτωση της παράλληλης διασύνδεσης το DC ρεύµα που διαρρέει τους µετατροπείς θα είναι µικρότερο, δίνοντας έτσι µεγαλύτερο περιθώριο στην υπερφόρτιση του κάθε µετατροπέα. Όσον αφορά τα στάδια ανάπτυξης ενός προγράµµατος παράλληλης διασύνδεσης, αυτά είναι περιορισµένα σε σχέση µε τη διασύνδεση σε σειρά. 33

Για παράδειγµα, για µία εγκατάσταση 6000MW, µπορούν να υπάρξουν τρία µόνο στάδια : πρώτο στάδιο 1500MW µε έναν µόνο µετατροπέα στα 800kV και µεταλλική επιστροφη, δεύτερο στάδιο 3000MW µε ένα µόνο δίπολο και τρίτο στάδιο 6000MW που θα είναι το ολοκληρωµένο σύστηµα. Επιπροσθέτως, το σύστηµα αυτό θα έχει παρόµοια διαθεσιµότητα ενέργειας µε τη διασύνδεση σε σειρά, αφού και εδώ απώλεια του ενός µετατροπέα µεταφράζεται σε απώλεια του 25% της συνολικής µεταφορικής ικανότητας. Τέλος, οι µετατροπείς µπορούν να τοποθετηθούν σε διαφορετικές τοποθεσίες. Σύµφωνα µε τον κανόνα, τα δύο δίπολα µπορούν να χωρίζονται από οποιαδήποτε απόσταση, αλλά θα πρέπει να υπάρχει ένα αξιόπιστο σύστηµα επικοινωνίας µεταξύ των παράλληλων µετατροπέων. Αυτό θα προσφέρει οµαλή «ανάρρωση» από σφάλµατα, καθώς επίσης και ένα κατάλληλο µοίρασµα ρευµάτων µεταξύ των µετατροπεών. Αυτό αποτελεί και ένα σύστηµα ανάλογο µε πολυτερµατικό. 2.3 Πολυτερµατικά συστήµατα (Multi-Terminal, MTDC) 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, ΜΤDC). Οι επιπλέον σταθµοί που υπάρχουν µπορούν να συνδέονται είτε παράλληλα µε τους ήδη υπάρχοντες, οπότε έχουµε το παράλληλο πολυτερµατικό σύστηµα DC (εικ.2.14), είτε σε σειρά, οπότε το σύστηµα είναι σειριακό πολυτερµατικό σύστηµα DC (εικ.2.15). Εικόνα 2.14: Παράλληλο Πολυτερµατικό σύστηµα DC [5]. 34

Εικόνα 2.15: Σειριακό πολυτερµατικό σύστηµα DC [5]. Επιπλέον, στο παράλληλο πολυτερµατικό σύστηµα DC όλοι οι υποσταθµοί συνδέονται στη ίδια τάση και η σύνδεση µπορεί να γίνει είτε ακτινικά (parallelconnected radial MTDC), όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.16α, είτε σε πλέγµα (Parallel-connected mesh-type MTDC), όπως φαίνεται στην εικόνα 2.16β. (α) (β) Εικόνα 2.16: (α) Παράλληλη ακτινική σύνδεση MTDC [10] (β) Παράλληλη σύνδεση MTDC σε πλέγµα [10] Επιπροσθέτως, είναι δυνατός ο συνδυασµός ενός παράλληλου και ενός σειριακού ΜΤDC και τότε σε αυτήν την περίπτωση το σύστηµα που προκύπτει καλείται υβριδικό πολυτερµατικό DC. Τα αρχικά ΜΤDC συστήµατα προέκυψαν από την επέκταση ήδη υπάρχοντων συµβατικών συστηµάτων µε δύο τερµατικά. Στον παρακάτω πίνακα 2.1 φαίνεται η εξέλιξη τριών αρχικών συµβατικών συστηµάτων σε ΜΤDC συστήµατα. 35

Πίνακας 2.1: Πίνακας εξέλιξης τριών αρχικά συµβατικών συστηµάτων σε ΜΤDC συστήµατα [11]. Γενικά, σε αντίθεση µε τη σηµείο-προς-σηµείο διασύνδεση, η οποία περιορίζεται σε ανταλλαγή ενέργειας µεταξύ δύο µονο σηµείων, τα ΜΤDC συστήµατα δίνουν τη δυνατότητα σύνδεσης όλων των ενδιφερόµενων τερµατικών σταθµών σε ένα κοινό δίκτυο µεταφοράς. Αυτό, όµως θα έχει σαν αποτέλεσµα να πρέπει να αναπτυχθεί ένα πιο περίπλοκο σύστηµα ελέγχου, σε σχέση µε τη σηµείο-προς-σηµείο διασύνδεση, γεγονός που ενδέχεται να επηρεάσει την διαθεσιµότητα ενέργειας. Σύµφωνα, όµως, µε µελέτες που έχουν γίνει, η επίδραση του συστήµατος ελέγχου στην διαθεσιµότητα ενέργειας ενός ΜΤDC συστήµατος παραµένει ίδια µε εκείνη ενός συστήµατος σηµείο-προς-σηµείο. Επίσης, ο βασικός εξοπλισµός DC διακοπτών παραµένει ίδιος περίπου και στις δύο περιπτώσεις [11]. Ενδιαφέρουσα είναι η σύγκριση των δύο αυτών συστηµάτων σε περίπτωση σφάλµατος, όσον αφορά την ικανότητα µεταφοράς. Στην περίπτωση ενός σηµείο-προς-σηµείο συστήµατος ένα σφάλµα στη γραµµή µεταφοράς θα είχε ως αποτέλεσµα απώλειας 100% της µεταφορικής ικανότητας. Αντίθετα, τα ΜΤDC συστήµατα επηράζονται λιγότερο από ένα τέτοιου είδους σφάλµα. 36

Αυτό συµβαίνει επειδή σε µια τέτοια περίπτωση θα είχαµε διακοπή της µεταφοράς ενέργειας µόνο µεταξύ των τερµατικών που θα εµφανιζόταν το σφάλµα. 37

Βιβλιογραφία 2 ου κεφαλαίου [1] Bahrman M.P., Johnson B.K. : The ABC s of HVDC Transmission Technologies. IEEE Power & Energy Magazine, March/April 2007, Vol.5, No.2. [2] Mικρόπουλος Π. : HVDC Συστήµατα Μεταφοράς. 2005, Πανεπιστηµιακές παραδόσεις [3] Straka V. : Future of HVDC Power Grid in Europe. WM0908TU, Technics and Future, Delft University of Technology.. http://ocw.tudelft.nl/fileadmin/ocw/courses/technicsandfuture/res0001 3/HVDC.pdf [4] Bahrman M.P. : Overview of HVDC transmission. Power Systems Conference and Exposition, 2006. PSCE '06, 2006 IEEE PES, Oct. 29 2006-Nov. 1 2006, p.18-23, Atlanta, GA. [5] Woodford D.A. : HVDC Transmission. 1998. https://pscad.com/resource/file/library/basisprinciplesofhvdc.pdf [6] www.siemens.com [7] Asplund G. : 800kV HVDC Alternative Scenarios for long distance bulk power transmission. CEPSI 2008, Macau, China, October 27 th 2008. [8] Asplund G., Åström U., Wu D. : Advantage of HVDC transmission at 800kV. 14 th ISH as Keynote Lecture, Beijing, China, August 25-28, 2005. [9] Advanced HVDC Systems for Voltages at ±800kV and Above. EPRI, Palo Alto, CA: 2007, 1013857. [10] Tabatabaei N.M., Gharemohammadi A. : Ion Based Development of Capacity and Stability in HVDC Power Networks. Проблемы энергетики, 4,2005. http://www.elm.az/physics/powereng/2005/v4article/art09.pdf [11] Häusler M. : Multiterminal HVDC for High Power Transmission in Europe. CEPEX99, Pooznan, Poland, March 1999. 38

Κεφάλαιο 3 ο : ιάρθρωση των HVDC συστηµάτων µεταφοράς 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 της εικόνας 3.1. Εικόνα 3.1: Μονογραµµικό διάγραµµα τυπικού σταθµού µετατροπής [1]. Παρακάτω, παρουσιάζονται και αναλύονται τα επιµέρους τµήµατα που αποτελούν έναν υποσταθµό (εικ.3.2). 39

Εικόνα 3.2: ιάρθρωση HVDC υποσταθµού [2]. 3.1 Μετατροπείς (Converters) Αδιαµφισβήτητα, οι µετατροπείς που χρησιµοποιούνται στον υποσταθµό αποτελούν το σηµαντικότερο κοµµάτι του, εφόσον µέσω αυτών γίνεται η µετατροπή της ac τάσης σε dc, όπου έχουµε λειτουργία ανορθωτή (rectifier), και της dc τάσης σε ac, όπου και έχουµε λειτουργία αντιστροφέα (inverter). 3.1.1 Γέφυρα 12-παλµών Η βασική τοπολογία µετατροπέων που χρησιµοποιείται σήµερα είναι η τριφασική γέφυρα 12-παλµών. Εικόνα 3.3: Τριφασική γέφυρα 12-παλµών. 40

Kάθε γέφυρα 12-παλµών αποτελείται από δύο γέφυρες µετατροπής 6- παλµών (Graetz bridge), οι οποίες συνδέονται σε σειρά στη dc πλευρά τους. Επιπλέον, στην ac πλευρά υπάρχει µια διαφορά φάσης 30 ο στην τροφοδοσία των γεφυρών 6-παλµών, η οποία επιτυγχάνεται τροφοδοτώντας τη µία γέφυρα µέσω ενός µετασχηµατιστή σε συνδεσµολογία αστέρα στο δευτερεύον και τροφοδοτώντας την άλλη γέφυρα 6-παλµών, µέσω ενός µετασχηµατιστή µε συνδεσµολογία τριγώνου στο δευτερεύον. Πρέπει εδώ να τονίσουµε ότι είναι δυνατόν να υπάρχουν είτε δύο µετασχηµατιστές (ο ένας σε συνδεσµολογία Υ/Υ και ο άλλος σε Υ/, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.3), είτε ένας µετασχηµατιστής µε δύο τυλίγµατα στο δευτερεύον (το ένα σε σύνδεση Υ και το άλλο σε, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.4). 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. Έτσι, προκύπτει η γέφυρα 12- παλµών [3]. Εικόνα 3.4: Τριφασική γέφυρα 12-παλµών. Ανάλογα µε το είδος των ηµιαγωγικών διακοπτών ισχύος που χρησιµοποιούνται στην γέφυρα προκύπτουν και τα διάφορα είδη µετατροπέων που εφαρµόζονται στους υποσταθµούς. Έτσι, λοιπόν, έχουµε τις εξής κατηγορίες µετατροπέων [4] : Φυσικής µεταγωγής, οπότε χρησιµοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ (Line-Commutated Current Source Converter, CSC) 41

Μεταγωγής µέσω πυκνωτών, όπου παρεµβάλλονται πυκνωτές σε σειρά µεταξύ των µετασχηµατιστών και των µετατροπέων (Capacitor Commutated Converter, CCC) Εξαναγκασµένης µεταγωγής, όπου χρησιµοποιούνται GTOs ή IGPTs (Self-Commutated Voltage Source Converter, VSC) 3.1.2 Μετατροπείς Φυσικής Μεταγωγής (Line-Commutated Current Source Converter, CSC) Στην περίπτωση των µετατροπέων φυσικής µεταγωγής οι ηµιαγωγικοί διακόπτες ισχύος που χρησιµοποιούνται στη γέφυρα 12-παλµών είναι τα θυρίστορ (εικ.3.5). 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) [1]. Εικόνα 3.5: Γέφυρα 12-παλµών [3]. Η µονάδα των θυρίστορ λειτουργεί υπό την συχνότητα του δικτύου (50Hz ή 60Hz) και είναι δυνατός ο έλεγχος του επιπέδου της παραγώµενης dc τάσης, µέσω του ελέγχου της γωνίας έναυσης των θυρίστορ. Αυτός είναι και ο βασικός τρόπος µε τον οποίο µπορόυµε να ελέγξουµε τη ροή της µεταφερόµενης ισχύος γρήγορα και αποτελεσµατικά. 42

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 [5]. Εικόνα 3.6: Συµβατικός HVDC µετατροπέας φυσικής µεταγωγής [3]. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η διαδικασία της µετατροπής απαιτεί κατανάλωση άεργου ισχύος. Αυτή η απαιτούµενη άεργος ισχύς παρέχεται στο σύστηµα µέσω των ac φίλτρων (εικ.3.6), τα οποία φαίνονται σαν χωρητικότητες στην θεµελιώδη συχνότητα ή µέσω πυκνωτών αντιστάθµισης, οι οποίοι είναι ένα ουσιαστικό κοµµάτι του σταθµού µετατροπής (εικ.3.7). Αυτή η έλλειψη άεργου ισχύος θα πρέπει να παραµένει µέσα σε ορισµένα επίπεδα, έτσι ώστε να διατηρείται η επιθυµητή κυµάτωση της ac τάσης µέσα στο επιτρεπόµενο όριο. Γενικά, όσο πιο αδύναµο είναι το ac σύστηµα ή όσο πιο µακριά από τη γεννήτρια βρίσκεται ο µετατροπέας, τόσο πιο «σφιχτή» πρέπει να είναι η ανταλλαγή άεργου ισχύος, έτσι ώστε να έχουµε κυµάτωση της τάσης µέσα στα επιθυµητά πλαίσια. 43

Εικόνα 3.7: Αντιστάθµιση άεργου ισχύος σε συµβατικό HVDC σταθµό µετατροπής [3]. 3.1.3 Μετατροπείς Μεταγωγής µέσω Πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters, CCC) 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 [6]. 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 µονάδων των θυρίστορ, όπως φαίνεται και στο σχήµα της εικόνας 3.8. Εικόνα 3.8: Μετατροπέας µεταγωγής µέσω πυκνωτών [7]. 44

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 [8]. Παρόλ 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 συντονιζόµενα (continuously tuned) [8] (εικ.3.9). Τέλος, η µη χρήση συστοιχιών φίλτρων έχει σαν αποτέλεσµα να µειώνεται σε σηµαντικό βαθµό ο χώρος που απαιτείται για την εγκατάσταση του HVDC υποσταθµού. Εικόνα 3.9: Μονογραµµικό διάγραµµα CCC µε ac φίλτρο συνεχώς συντονιζόµενο [8]. Άλλα επιπρόσθετα πλεονεκτήµατα που προσφέρει η χρήση των πυκνωτών µεταγωγής είναι [8] : Αύξηση της ανεκτηκότητας σε πτώση τάσης στο 15-20% χωρίς την πρόκληση σφάλµατος µεταγωγής, εφόσον οι πυκνωτές αποτελούν µία πηγή αντιστάθµισης της τάσης σε συνδυασµό µε την τάση του ac ζυγού. Βελτίωση της σταθερότητας του µετατροπέα. Μείωση της ονοµαστικής ισχύος των µετασχηµατιστών του µετατροπέα που χρησιµοποιούνται, λόγω της µείωσης της άεργου ισχύος που ρέει διαµέσου αυτών. 45

υνατότητα αύξησης της ονοµαστικής ισχύος σε περιοχές όπου το ac δίκτυο βρίσκεται κοντά στο όριο σταθερότητας του. Τέλος, η τοποθέτηση των πυκνωτών µεταγωγής µπορεί να γίνει, εκτός από την προαναφερθήσα τοπολογία, στην πλευρά του µετασχηµατιστή του µετατροπέα προς το ac συστήµα και τότε η τοπολογία είναι γνωστή ως ελεγχόµενος µετατροπέας πυκνωτών σε σειρά (controlled series capacitor converter, CSCC) [7] και δίνεται παρακάτω σε µονογραµµικό διάγραµµα στην εικόνα 3.10. Εικόνα 3.10: Ελεγχόµενος µετατροπέας πυκνωτών σε σειρά [7]. Ως εφαρµογές των µετατροπέων µεταγωγής µέσω πυκνωτών έχουµε τις διασυνδέσεις Garabi και Rapid City Tie. Η διασύνδεση Garabi µεταξύ Βραζιλίας και Αργεντινής αποτελείται από 4 x 550MW παράλληλες συνδέσεις CCC, ενώ η Rapid City Tie από 2 x 100MW παράλληλες συνδέσεις CCC [3] (εικ.3.11). 46

Εικόνα 3.11: ιασύνδεση Rapid City Tie, South Dakota [3]. 3.1.4 Μετατροπείς Εξαναγκασµένης Μεταγωγής (Self-Commutated Voltage Source Converters, VSC) Τα HVDC συστήµατα µεταφοράς που χρησιµοποιούν µετατροπείς εξαναγκασµένης µεταγωγής (VSCs) µε διαµόρφωση εύρους παλµών (Pulse Width Modulation, PWM), γνωστούς και ως HVDC Light ή HVDC Plus, εισήχθησαν στην αγορά στα τέλη της δεκαετίας του 90 (εικ.3.12). Λόγω της µεγάλης ανάπτυξης των VSCs καθώς και των πολλών πλεονεκτηµάτων που προσφέρει η χρήση τους, τείνει να αντικατασταθεί σε µεγάλο βαθµό η χρήση των συµβατικών HVDC µετατροπέων (CSCs και CCCs). Εικόνα 3.12: Εξέλιξη των ηµιαγωγικών διακοπτών ισχύος [3]. 47

Στους VSCs γίνεται χρήση ελεγχόµενων ηµιαγωγικών διακοπτών, όπως διπολικών τρανζίστορ µε µονωµένη πύλη (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors) και θυρίστορ µε σβέση ελεγχόµενη από την πύλη (GTOs, Gate Turn-Off Thyristos). Αυτό συνιστά και την βασική διαφορά ανάµεσα στους VSCs και τους συµβατικους µετατροπείς που χρησιµοποιούν θυρίστορ, αφού στην περίπτωση των VSCs µπορεί να γίνει όχι µόνο έναυση αλλά και σβέση των IGBTs και των GTOs µε χρήση σηµάτων στην πύλη τους κατά τη διάρκεια που αυτά διαρρέονται από ρεύµα. Έτσι, λοιπόν, δεν παρουσιάζεται ανάγκη για µια ενεργή τάση µεταγωγής από το συνδεδεµένο δίκτυο [9]. Εικόνα 3.13: Μία φάση µετατροπέα εξαναγκασµένης µεταγωγής µε PWM [9]. Τα IGBTs όταν πολώνονται ορθά µπορούν να άγουν προς µία µόνο κατεύθυνση, αλλά η χρήση µιας διόδου συνδεδεµένης αντιπαράλληλα µε το IGBT, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.13, προσφέρει τη δυνατότητα στον µετατροπέα να άγει ρεύµα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Επίσης, τα IGBTs έχουν µεγάλη σύνθετη αντίσταση πύλης και γι αυτό απαιτείται µικρή ποσότητα ενέργειας για τη µετάβασή τους. Επιπλέον, οι διακόπτες λειτουργούν σε µία µέση συχνότητα περίπου 1kHz και ανοιγο-κλείνουν µε τέτοιο τρόπο, ώστε οι κατώτερες αρµονικές να απαλείφονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα, να απαιτούνται φίλτρα µόνο για την απαλοιφή αρµονικών υψηλότερων συχνοτήτων. Η λειτουργία του µετατροπέα επιτυγχάνεται µέσω της χρήσης διαµόρφωσης εύρους παλµών (PWM). Με την PWM διαµόρφωση επιτρέπεται η ταυτόχρονη 48

µεταβολή του πλάτους και της φάσης της ac τάσης εξόδου του αντιστροφέα, έχοντας ως είσοδο σταθερή dc τάση. Συνεπώς, µε αυτόν τον τρόπο είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού και της άεργου ισχύος του συστήµατος ξεχωριστά, που είναι και το βασικότερο πλεονέκτηµα των VSCs. Λειτουργία Μετατροπέων Εξαναγκασµένης Μεταγωγής Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία των µετατροπέων VSCs, µπορούµε να θεωρήσουµε κάθε τερµατικό σταθµό της διασύνδεσης σαν µία πηγή τάσης συνδεδεµένη στο ac δίκτυο µεταφοράς, µέσω µίας τριφασικής αντίδρασης [10], όπως φαίνεται στην εικόνα 3.14. Οι δύο τερµατικοί σταθµοί συνδέονται µεταξύ τους µέσω µιας HVDC διασύνδεσης όπως φαίνεται στο σχήµα. Εικόνα 3.14: Μονογραµµικό διάγραµµα VSC µεταφοράς [10]. Παρακάτω δίνεται το φασικό διάγραµµα ενός µετατροπέα VSC (εικ.3.15), ο οποίος συνδέεται στο ac δίκτυο µέσω της αυτεπαγωγής του µετασχηµατιστή του µετατροπέα. Εικόνα 3.15: Φασικό διάγραµµα VSC µετατροπέα [10]. 49

Η τάση αναφοράς U v(1), την οποία παίρνουµε ως την τάση στον µετασχηµατιστή του µετατροπέα προς την µεριά των IGBTs, είναι ανάλογη της DC τάσης, όπως εκφράζεται και από τη σχέση(1) : U v(1) =k u U d (1) Ο συντελεστής k u µπορεί να ελεγχθεί µέσω της PWM διαµόρφωσης. Αµελώντας την αντίσταση του µετασχηµατιστή, προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις για την ενεργό και την άεργο ισχύ : UL UV (1) P = Ud Id = sinδ (2) X Q U L ( UL UV ( 1) cosδ ) X L L = (3) Η ενεργός και η άεργος ισχύς θα θεωρούνται θετικές όταν έχουµε ροή ισχύος από το AC δίκτυο προς τον µετατροπέα. Επιπλέον, η γωνία δ θα θεωρείται θετική στην περίπτωση που η τάση εξόδου του µετατροπέα έπεται της AC τάσης του δικτύου. Η σχέση (2) δείχνει ότι η ενεργός ισχύς είναι ανάλογη του DC ρεύµατος και της DC τάσης. Επίσης, καθορίζεται κυρίως από την µεταβολή της γωνίας δ. Μία θετική γωνία δ συνεπάγεται ότι η ενεργός ισχύς ρέει από το AC δίκτυο προς τον µετατροπέα. Παρόλ αυτά, όµως, η άεργος ισχύς καθορίζεται κυρίως από τη διαφορά µεταξύ του εύρους της τάσης του AC ζυγού τάσης και της τάσης εξόδου του µετατροπέα, σύµφωνα µε την σχέση (3). Η άεργος ισχύς τροφοδοτείται από την τάση µε το υψηλότερο εύρος προς την τάση µε το χαµηλότερο εύρος. Αυτά τα παραπάνω χαρακτηριστικά των µετατροπέων VSCs επιτρέπουν τον ανεξάρτητο έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος, που είναι ένα µεγάλο πλεονέκτιµα των µετατροπέων VSCs. Μετά την ύψωση στο τετράγωνο και την κατά µέλη πρόσθεση των σχέσεων (2) και (3) προκύπτει ότι: 50

2 2 2 U UL U (1) L V P + Q = (4) XL XL To διάγραµµα P-Q είναι ένας κύκλος σύµφωνα µε τη σχέση (4), του οποίου το κέντρο δεν βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, όπως συµβαίνει µε τους µετατροπείς φυσικής µεταγωγής (εικ.3.16). Εικόνα 3.16: Χαρακτηριστική P-Q συστήµατος VSC-HVDC [10]. Εάν η τάση εξόδου του µετατροπέα U v(1) µειωθεί, µε χρήση PWM διαµόρφωσης, θα είναι δυνατή η παροχή οποιουδήποτε συνδυασµού ενεργού και άεργου ισχύος που βρίσκεται µέσα στον κύκλο. Πλεονεκτήµατα των Μετατροπέων Εξαναγκασµένης Μεταγωγής Τα βασικά πλεονεκτήµατα που προσφέρουν οι µετατροπείς εξαναγκασµένης µεταγωγής είναι τα εξής [11] : υνατότητα ελέγχου της άεργου ισχύος, που καταναλώνεται ή παράγεται από τον µετατροπέα, ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τον έλεγχο της ενεργού ισχύος, προς και από το µετατροπέα. Αποφυγή ρίσκου σφαλµάτων µεταγωγής στο µετατροπέα. Ικανότητα σύνδεσης σε αδύναµα δίκτυα ή ακόµα και «νεκρά». Γρηγορότερη αντίδραση χάρις στην αυξηµένη συχνότητα δικοπών (PWM). 51