EΘΝΙΚΟ MΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΏΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Αναπλ. Καθηγητής Γ. Κορρές 1. Εισαγωγή Ο ρόλος των Ευέλικτων Συστηµάτων Μεταφοράς Η αναδιάρθρωση που συντελείται στον τοµέα της ηλεκτρικής ενέργειας επιδιώκει την µετάβαση από τον µονοπωλιακό χαρακτήρα που συνόδευε τον εξηλεκτρισµό των διαφόρων χωρών σε σύστηµα "ελεύθερης αγοράς" µε αντίστοιχη αλλαγή στην θεώρησή της από "αγαθό υποδοµής" σε "εµπορεύσιµο προϊόν". Οι αλλαγές αυτές έχουν οδηγήσει διεθνώς στην αναζήτηση τρόπων αποδοτικότερης αξιοποίησης των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας και ιδιαίτερα µε την υιοθέτηση πολλών "ανεξάρτητων παραγωγών" στην προσπάθεια συστηµατικής εξάντλησης και επέκτασης των λειτουργικών δυνατοτήτων των υφισταµένων συστηµάτων µεταφοράς. Οι τεχνολογικές εξελίξεις στους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος επέτρεψαν από τις αρχές της δεκαετίας του '90 την ανάπτυξη και εισαγωγή στα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας πολλών διατάξεων ελέγχου, οι οποίες χρησιµοποιούν τέτοιους µετατροπείς και επιτρέπουν καλύτερη αξιοποίηση και επέκταση των δυνατοτήτων µεταφοράς. Οι διατάξεις αυτές είναι σηµαντικής ισχύος (φθάνουν µέχρι µερικές εκατοντάδες MVA) και χαρακτηρίζονται ενιαία σαν "ευέλικτα συστήµατα µεταφοράς (εναλλασσοµένου ρεύµατος)". Τα ευέλικτα συστήµατα µεταφοράς έχουν δύο κύριους στόχους: α) Να αυξήσουν τα όρια µέγιστης µεταφεροµένης ισχύος του συστήµατος µεταφοράς β) Να κατευθύνουν την µεταφερόµενη ισχύ σε προδιαγεγραµµένες διαδροµές στο σύστηµα µεταφοράς Από πλευράς δοµής µπορούν να καταταχθούν σε δύο µεγάλες κατηγορίες: α) σε µετατροπείς που επιτρέπουν την ευέλικτη διαχείριση συνιστωσών όπως πηνίων ή πυκνωτών ή τυλιγµάτων µετασχηµατιστών µε διαφορά φάσεως. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα στατά συστήµατα ελέγχου αέργου ισχύος (Static Var Compensators), οι ελεγχόµενοι αντισταθµιστές σειράς (Τhyristor Controlled Series Capacitors) και οι ρυθµιστές γωνίας φάσεως (Phase Shifters). Οι µετατροπείς των διατάξεων αυτών χρησιµοποιούν θυρίστορ (ηµιαγωγικά στοιχεία χωρίς δυνατότητα εξαναγκασµένης σβέσης) και απλώς επιτυγχάνουν γρηγορότερες αποκρίσεις ζεύξης από τους κλασικούς διακόπτες. β) σε µετατροπείς που υλοποιούν ελεγχόµενες πηγές τάσεως ή ρεύµατος και χρησιµοποιούν συνήθως GTO (Gate Turn Off thyristors - ηµιαγωγικά στοιχεία µε δυνατότητα εξαναγκασµένης σβέσης). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι ελεγχόµενοι σύγχρονοι αντισταθµιστές (STATic synchronous COMpensators), οι ελεγχόµενοι σύγχρονοι αντισταθµιστές σειράς (Static Synchronous Series Compensators), οι ενοποιηµένοι ρυθµιστές ροής ισχύος (Unified Power Flow Controllers) και οι ρυθµιστές ροής ισχύος µεταξύ γραµµών µεταφοράς (Interline Power Flow Controllers). Τα ευέλικτα συστήµατα αυτής της κατηγορίας εµφανίζουν βελτιωµένα 1
χαρακτηριστικά σε σχέση µε τα αντίστοιχα συστήµατα της προηγούµενης κατηγορίας και επιτρέπουν επί πλέον την έγχυση ή απορρόφηση ενεργού ισχύος. Ιδιαίτερης σηµασίας εφαρµογή τέτοιων διατάξεων είναι και η µεταφορά ισχύος µε συνεχές ρεύµα. Η ανάλυση και ο έλεγχος των διαφόρων τύπων ευέλικτων συστηµάτων περιορίζεται προς το παρόν στην αποµονωµένη λειτουργία τους. Ωστόσο, η διαφαινόµενη ταχεία διάδοσή τους στο µέλλον, κάνει ορατή την ανάγκη ανάπτυξης συνολικού σχεδιασµού των συστηµάτων ελέγχου τους, καθώς η ανεξάρτητη ρύθµιση κάθε ενός από αυτά µπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύµητες αλληλεπιδράσεις µεταξύ τους.. Όρια µεταφοράς ισχύος και δυνατότητες βελτίωσης Το ανώτατο όριο µεταφεροµένης ισχύος µίας γραµµής µεταφοράς προσδιορίζεται από το θερµικό όριο ρεύµατος των αγωγών της που προκύπτει από τις κατασκευαστικές προδιαγραφές τους. Στην πράξη οι γραµµές µεταφοράς δεν λειτουργούν στο όριο αυτό καθώς µια τέτοια λειτουργική κατάσταση συνοδεύεται από σηµαντικές απώλειες. Τα λειτουργικά όρια φόρτισης των γραµµών µεταφοράς είναι συνήθως σηµαντικά µικρότερα και προσδιορίζονται από τις λειτουργικές δυνατότητες του δικτύου προκειµένου να εξασφαλισθούν η στατική ευστάθεια, η µεταβατική ευστάθεια και η ευστάθεια τάσεως του συστήµατος. Στη συνέχεια εξετάζονται τα όρια αυτά χρησιµοποιώντας σαν παράδειγµα µια κοντή γραµµή µεταφοράς χωρίς απώλειες. α. Στατική ευστάθεια Θεωρούµε την απλούστερη περίπτωση µεταφοράς ισχύος µεταξύ δύο ζυγών που περιλαµβάνουν µονάδες παραγωγής και συνδέονται µε κοντή γραµµή χωρίς απώλειες επαγωγικής αντίδρασης Χ, που φαίνεται στο σχήµα 1a. Αν η τάση στο στέλλον άκρο της γραµµής Vs είναι ίση µε την τάση στο λαµβάνον άκρο Vr (Vs = Vr = V) το διανυσµατικό διάγραµµα του συστήµατος φαίνεται στο σχήµα 1β. H τάση στο µέσον της γραµµής είναι Vm = V cos(δ/). Όπως φαίνεται στο σχήµα 1c η ροή ενεργού ισχύος P (σταθερή σε όλη τη γραµµή) και η άεργος ισχύς Q s και Q r στα άκρα της σαν συνάρτηση της διαφοράς φάσεως δ µεταξύ των τάσεων στέλλοντος και λαµβάνοντος άκρου δίνεται από τις σχέσεις (1) και () αντίστοιχα. V P = X sinδ (1) Q s = Q r V = Q = X (1 cosδ ) () Η µέγιστη ισχύς Pmax που µπορεί να µεταφερθεί χωρίς να αποσυγχρονισθούν οι γεννήτριες του στέλλοντος και λαµβάνοντος άκρου προκύπτει για γωνία δ = 90 o και αποτελεί το όριο στατικής ευστάθειας. V P max = X (3)
Σχήµα 1 a) Σύστηµα δύο ζυγών που περιλαµβάνουν µονάδες παραγωγής και συνδέονται µε κοντή γραµµή χωρίς απώλειες b) ιανυσµατικό διάγραµµα c) Ενεργός και άεργος ισχύς συναρτήσει της γωνίας δ β. Μεταβατική ευστάθεια Στο προηγούµενο σύστηµα δύο ζυγών (σχήµα 1a), θεωρούµε ότι η γεννήτρια που συνδέεται στο λαµβάνον άκρο είναι πολύ µεγάλης ισχύος (άπειρος ζυγός). Το σηµείο 1 στα σχήµατα a και b αντιστοιχεί στο σηµείο λειτουργίας της γεννήτριας του στέλλοντος άκρου (Pm είναι η µηχανική ισχύς και Tm η ροπή στον άξονα). Αν συµβεί παροδικό βραχυκύκλωµα στο στέλλον άκρο τότε ο δροµέας της γεννήτριας του στέλλοντος άκρου υπερταχύνεται υπό την επίδραση της ροπής της κινητήριας µηχανής (η παραγόµενη ηλεκτρική ισχύς µηδενίζεται). Έστω ότι όταν εκκαθαρισθεί το σφάλµα η λειτουργία της µηχανής αντιστοιχεί στο σηµείο στα σχήµατα a και b. Το εµβαδόν Α 1 3
του σχήµατος a είναι ανάλογο της αύξησης της κινητικής ενέργειας του δροµέα κατά την επιτάχυνση (W 1 = Tm dδ). Καθώς η γωνιακή ταχύτητα του δροµέα έχει αυξηθεί ως προς τις σύγχρονη ταχύτητα, µετά την εκκαθάριση του σφάλµατος, ο δροµέας θα αρχίσει να επιβραδύνεται µε επιβραδύνουσα ροπή την Te-Tm µέχρι να φθάσει τη σύγχρονη ταχύτητα (σηµείο 3). Η αύξηση της κινητικής ενέργειας του δροµέα κατά την επιτάχυνση (εµβαδόν Α 1 στο σχήµα a) θα είναι ίση µε την µείωση της κινητικής ενέργειας κατά την επιβράδυνση (εµβαδόν Α στο σχήµα a). Το εµβαδόν Α margin δίνει το περιθώριο (µεταβολής της κινητικής ενέργειας) από τον αποσυγχρονισµό της γεννήτριας κατά τη διάρκεια του προηγούµενου µεταβατικού φαινοµένου. Όταν η διάρκεια του σφάλµατος είναι µεγαλύτερη έτσι ώστε η γωνία δ 3 να φθάσει την τιµή δ crit τότε το σύστηµα έχει φθάσει στο όριο µεταβατικής ευστάθειας για το προαναφερόµενο σφάλµα. Τ Τ max 3 ω Τ m 1 4 (b) Σχήµα a) Κριτήριο ίσων εµβαδών στην χαρακτηριστική ροπής-γωνίας για το σύστηµα δύο ζυγών που περιλαµβάνουν µονάδες παραγωγής b) Κριτήριο ίσων εµβαδών στην χαρακτηριστική ισχύος-γωνίας για το σύστηµα δύο ζυγών που περιλαµβάνουν µονάδες παραγωγής 4
γ. Ευστάθεια τάσεως Θεωρούµε την περίπτωση ακτινικής τροφοδότησης φορτίου µέσω κοντής γραµµής µεταφοράς χωρίς απώλειες επαγωγικής αντίδρασης Χ, που φαίνεται στο σχήµα 3a. Οταν η τάση στο στέλλον άκρο είναι 1 αµ, η τάση του λαµβάνοντος άκρου σαν συνάρτηση του φορτίου και του συντελεστή ισχύος του φαίνεται στο σχήµα 3b. Παρατηρείται ότι για κάθε τιµή συντελεστή ισχύος υπάρχει µία µέγιστη τιµή ενεργού ισχύος που µπορεί να µεταφερθεί από το σύστηµα (όριο ευστάθειας τάσεως) η υπέρβαση της οποίας οδηγεί την τάση του λαµβάνοντος άκρου σε κατάρρευση. Σηµειώνεται η ιδιαίτερη ευαισθησία του ορίου ευστάθειας τάσεως µε το συντελεστή ισχύος (σηµαντική µείωση του ορίου για επαγωγικό συντελεστή ισχύος). (a) (b) Σχήµα 3 a) Ακτινική τροφοδότηση φορτίου µέσω κοντής γραµµής χωρίς απώλειες b) Μεταβολή της τάσης του λαµβάνοντος άκρου σαν συνάρτηση του φορτίου και του συντελεστή ισχύος του δ. Βελτίωση ορίων στατικής ευστάθειας Τα όρια στατικής ευστάθειας µεταφοράς µπορούν να βελτιωθούν µε τις ακόλουθες διατάξεις. 5
δ1. Εγκάρσια αντιστάθµιση αέργου ισχύος γραµµής µεταφοράς Στην περίπτωση του συστήµατος του σχήµατος 1a αν τοποθετηθεί ιδανικός αντισταθµιστής αέργου ισχύος στο µέσον της γραµµής µεταφοράς (στρεφόµενος πυκνωτής για παράδειγµα), ο οποίος να κρατά την τάση στο µέσον της γραµµής ίση µε αυτή του στέλλοντος και του λαµβάνοντος άκρου, είναι δυνατόν να διπλασιαθεί το όριο στατικής ευστάθειας του συστήµατος όπως φαίνεται στο σχήµα 4. Βεβαίως αυξάνεται σηµαντικά η απαίτηση παροχής αέργου ισχύος τόσο από τον αντισταθµιστή όσο και από τις γεννήτριες του στέλλοντος και λαµβάνοντος άκρου της γραµµής. Σχήµα 4 a) Σύστηµα δύο ζυγών που συνδέονται µε κοντή γραµµή χωρίς απώλειες και ιδανικό αντισταθµιστή αέργου ισχύος στο µέσον της γραµµής. b) ιανυσµατικό διάγραµµα c) Ενεργός P p και άεργος ισχύς Q p συναρτήσει της γωνίας δ 6
δ. Αντιστάθµιση σειράς αέργου ισχύος γραµµής µεταφοράς Στην περίπτωση του συστήµατος του σχήµατος 1a αν τοποθετηθεί πυκνωτής σε σειρά µε τη γραµµή µεταφοράς έτσι ώστε να αντισταθµίζει ποσοστό k της αέργου ισχύος που απορροφά κατά τη φόρτισή της (k=xc/x) επιτυγχάνεται σηµαντική αύξηση του ορίου στατικής ευστάθειας όπως φαίνεται στο σχήµα 5 Η αντιστάθµιση σειράς έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως και πριν την ανάπτυξη των ευέλικτων συστηµάτων µεταφοράς για τη αντιστάθµιση γραµµών µεταφοράς πολύ µεγάλου µήκους. k = X c /X 0 < k < 1 Σχήµα 5 a) Σύστηµα δύο ζυγών που συνδέονται µε κοντή γραµµή χωρίς απώλειες και πυκνωτές σειράς αντιστάθµισης αέργου ισχύος της γραµµής. b) ιανυσµατικό διάγραµµα c) Ενεργός και άεργος ισχύς συναρτήσει της γωνίας δ 7
δ3. Ρύθµιση γωνίας φάσεως Σε πολλές περιπτώσεις βελτιώνεται η ικανότητα µεταφοράς ενός συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας µειώνοντας την κυκλοφορία ισχύος σε βρόχους ή εκτρέποντας την ροή ισχύος από γραµµές που βρίσκονται στα όρια στατικής ευστάθειας προς παράλληλες γραµµές µε µεγαλύτερα περιθώρια χρησιµοποιώντας στροφή της φάσεως της τάσεως µέσω µετασχηµατιστών µε κατάλληλη συνδεσµολογία τυλιγµάτων. Στο σχήµα 6 φαίνεται η επίπτωση στη µεταφερόµενη ισχύ του συστήµατος του σχήµατος 1a αν τοποθετηθεί ρυθµιστής που εκτρέπει τη φάση της τάσεως του στέλλοντος άκρου κατά γωνία σ. Η µεταφερόµενη ισχύς γίνεται σ'αυτή την περίπτωση: V P = X sin( δ σ ) (4) Σχήµα 6 a) Σύστηµα δύο ζυγών που συνδέονται µε κοντή γραµµή µε ρυθµιστή γωνίας φάσεως της τάσεως στο στέλλον άκρο της γραµµής. b) ιανυσµατικό διάγραµµα c) Ενεργός ισχύς συναρτήσει της γωνίας δ 8
ε. Βελτίωση ορίων µεταβατικής ευστάθειας Οι βελτιώσεις που επιφέρουν οι προαναφερόµενες διατάξεις στη µεταβατική ευστάθεια του συστήµατος οφείλονται στην αύξηση των χαρακτηριστικών της µεταφεροµένης ισχύος µε την διαφορά φάσεως δ µεταξύ στέλλοντος και λαµβάνοντος άκρου της γραµµής µεταφοράς και φαίνονται σχηµατικά στο σχήµα 7. Σχήµα 7 Κριτήριο ίσων εµβαδών στην χαρακτηριστική ισχύος-γωνίας για το σύστηµα δύο ζυγών που περιλαµβάνουν µονάδες παραγωγής a) Σύστηµα χωρίς αντιστάθµιση b) Σύστηµα µε εγκάρσια αντιστάθµιση αέργου ισχύος c) Σύστηµα µε αντιστάθµιση αέργου ισχύος σειράς d) Σύστηµα µε ρυθµιστή γωνίας φάσεως 9
στ. Βελτίωση ορίων ευστάθειας τάσεως Για την βελτίωση της ευστάθειας τάσεως ακτινικά τροφοδοτούµενου φορτίου η εγκάρσια αντιστάθµιση είναι πολύ σηµαντικό να βρίσκεται κατά το δυνατόν πλησιέστερα στο φορτίο, ώστε να επιτυγχάνει όσο το δυνατό χωρητικό συντελεστή ισχύος. Οι χαρακτηριστικές φαίνονται στο σχήµα 8b. Οι βελτιώσεις που προκύπτουν από την αντιστάθµιση σειράς είναι σηµαντικότερες και φαίνονται στο σχήµα 8c αντίστοιχα. Σχήµα 8 Όρια ευστάθειας τάσεως κατά την ακτινική τροφοδότηση φορτίου µέσω κοντής γραµµής χωρίς απώλειες a) Σύστηµα χωρίς αντιστάθµιση b) Σύστηµα µε εγκάρσια αντιστάθµιση αέργου ισχύος c) Σύστηµα µε αντιστάθµιση αέργου ισχύος σειράς 10
3. Μεταφορά µε συνεχές ρεύµα Ένας τρόπος να αποφευχθούν τα προβλήµατα ευστάθειας που τίθενται κατά την µεταφορά ισχύος µε γραµµές εναλλασσοµένου ρεύµατος σε µεγάλες αποστάσεις είναι η µεταφορά ισχύος µε συνεχές ρεύµα. Επί πλέον η σηµαντική χωρητικότητα των καλωδίων και οι απαιτήσεις αντιστάθµισης της παραγόµενης από αυτά αέργου ισχύος µε πηνία καθιστά την µεταφορά ισχύος µε συνεχές ρεύµα πλεονεκτικότερη σε υποθαλάσσιες διασυνδέσεις µήκους µεγαλύτερου των 50 km. Εκτός από τις προαναφερόµενες περιπτώσεις η µετατροπή από εναλλασόµενο σε συνεχές και στην συνέχεια σε εναλασσόµενο στο ίδιο σηµείο (σύνδεση back to back) επιτρέπει την ελεγχόµενη διασύνδεση συστηµάτων µε διαφορές στην ποιότητα του ελέγχου ή και στην συχνότητα. Οι εφαρµογές των διασυνδέσεων συνεχούς ρεύµατος απαιτούν προφανώς την χρησιµοποίηση δύο µετατροπέων (ο ένας σε λειτουργία ανορθωτή και ο άλλος σε λειτουργία αντιστροφέα). 3α. Μετατροπείς συνεχούς ρεύµατος υψηλής τάσεως (HVdc) Οι µετατροπείς που χρησιµοποιούνται είναι συνήθως εξαβαλβιδικοί µετατροπείς µε θυρίστορ όπως φαίνεται στο σχήµα 9. Η γαλβανική αποµόνωση της πλευράς του συνεχούς ρεύµατος από το δίκτυο εξασφαλίζεται από µετασχηµατιστή αποµόνωσης. Ζυγοί Μετατροπέα Μετασχηµατιστής Αποµόνωσης Μετατροπέα Ελεγχόµενος Ανορθωτής 6 βαλβίδων Συνεχές Ρεύµα DC ίκτυο Εναλλασσοµένου Ρεύµατος AC ιακόπτης Εναλλασσοµένου Ρεύµατος Αποζεύκτης Εναλλασσοµένου Ρεύµατος Σχήµα 9 Συνδεσµολογία τριφασικού µετατροπέα γέφυρας έξι βαλβίδων µε θυρίστορ (Ελεγχόµενος Ανορθωτής) 11
Κατά την λειτουργία του µετατροπέα σαν ανορθωτή τα µεγέθη στην πλευρά του συνεχούς και του εναλλασσοµένου ρεύµατος σχετίζονται κατά προσέγγιση ως εξής: V V I d d d 1 = Vc [cosα + cos( α+ u)] 3X c = Vc cosα I d π Vd = [cosα cos( α+ u)] X c (5) (6) (7) όπου V d και I d είναι η τάση και το ρεύµα στην πλευρά του συνεχούς και V c είναι η τάση στην πλευρά του εναλλασοµένου ρεύµατος ενώ α είναι η γωνία έναυσης των θυρίστορ και u η γωνία µετάβασης. Οι κυµατοµορφές των ρευµάτων και τάσεων κατά την λειτουργία ανορθωτή φαίνονται στο σχήµα 10. Κατά την λειτουργία του µετατροπέα σαν αντιστροφέα ισχύουν οι ίδιες σχέσεις µε την λειτουργία ανορθωτή αλλά χρησιµοποιείται η σχέση που αναφέρεται στη γωνία σβέσης γ: V d 3X c = Vc cosγ π I d (8) Οι κυµατοµορφές των ρευµάτων και τάσεων κατά την λειτουργία αντιστροφέα φαίνονται στο σχήµα 11. Η ενεργός ισχύς είναι: P = 3 Vc Icosϕ = Vd I d (9) Μία προσεγγιστική σχέση για τον συντελεστή ισχύος είναι: 1 cos( φ) = [cosα+ cos( α+ u)] (10) Ενώ η άεργος ισχύς σχετίζεται µε την ενεργό ως εξής: Q = P tanφ sin(α + u) sin(α u) tanφ = cos α cos(α + u) (11) (1) 1
Σχήµα 10 Τυπική λειτουργία ανορθωτή έξι παλµών a) Τάση πλευράς συνεχούς ρεύµατος ως προς τον ουδέτερο κόµβο του µετασχηµατιστή b) Τάση πλευράς συνεχούς ρεύµατος και τάση στα άκρα του 1 ου ηµιαγωγικού διακόπτη c), d) Ρεύµατα ηµιαγωγικών διακοπτών e) Εναλλασόµενο ρεύµα φάσεως R 13
Σχήµα 11 Τυπική λειτουργία αντιστροφέα έξι παλµών a) Τάση πλευράς συνεχούς ρεύµατος ως προς τον ουδέτερο κόµβο του µετασχηµατιστή b) Τάση πλευράς συνεχούς ρεύµατος και τάση στα άκρα του 1 ου ηµιαγωγικού διακόπτη c), d) Ρεύµατα ηµιαγωγικών διακοπτών e) Εναλλασόµενο ρεύµα φάσεως R 14