ΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΜΥ 499 ΡΥΘΜΙΣΤΕΣ ΓΩΝΙΑΣ, ΕΝΟΠΟΙΗΜΕΝΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέµατα Στροφή φάσεως Ρύθµιση γωνίας φάσης Quadrature Booster Ρύθµιση γωνίας φάσης και τάσης µε Thyristor (TCPAR, TCR) Ρύθµιση γωνίας φάσης και τάσης µε σύγχρονες πηγές τάσης Ενοποιηµένος ελεγκτής ροής ισχύος, UPFC Λειτουργίες του UPFC Έλεγχος µεταφερόµενης ισχύος Περιοχή ελέγχου UPFC
Στροφή φάσεως (phase shifting) Η ικανότητα µεταφοράς ενός συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας βελτιώνεται µειώνοντας την κυκλοφορία ισχύος σε βρόχους ή εκτρέποντας τη ροή ισχύος από γραµµές που βρίσκονται στα όρια στατικής ευστάθειας προς παράλληλες γραµµές µε µεγαλύτερα περιθώρια, χρησιµοποιώντας στροφή φάσεως (phase shifting) της τάσης µέσω µετασχηµατιστών µε κατάλληλη συνδεσµολογία τυλιγµάτων. Συµβατικό phase shifter Ένα συνηθισµένο phase shifter αποτελείται από µηχανικούς διακόπτες, οι οποίοι είναι συνήθως ενσωµατωµένοι στο µετασχηµατιστή διέγερσης Τα κύρια τεχνικά µειονεκτήµατα ενός τυπικού phase shifter είναι: Αργή απόκριση λόγω της υπάρχουσας αδράνειας των µηχανικών διακοπτών Μειωµένα όρια ζωής και απαίτηση για διατήρηση της συχνότητας σχετικά µε τηνµηχανική καταπόνηση και τη γήρανση του λαδιού Ένα συµβατικό phase shifter µπορεί να µεταβάλλει την γωνία µεταξύ -30 0 και 30 0 µε βήµα 1 ή µοιρών
Ιδέα και βασική εφαρµογή Για σχετικά µικρές µεταβολές της γωνίας, η αλλαγή στη γωνία είναι περίπου ανάλογη της εγχεόµενης τάσης Ενεργός ισχύς συναρτήσει της γωνίας δ Οι shifters µπορούν να ρυθµίζουν και το µέτρο και την κατεύθυνση της ροής ισχύος σε µια γραµµή. Η στροφή της γωνίας επιτυγχάνεται µε τη λήψη της διαφοράς των τάσεων δύο φάσεων και την έγχυση ενός ποσοστού της k σε σειρά µε την άλλη φάση Η εγχυόµενη τάση σε σειρά είναι διανυσµατικά κάθετη στην τάση της φάσεως στην οποία εγχέεται
Ανυσµατικά διαγράµµατα Η ιδέα είναι να αλλάξουµε τη γωνία χωρίς να αλλάξουµε το µέτρο της τάσης να έχουµε δηλαδή τις τάσεις s και seff πλευρές ισοσκελούς τριγώνου seff s + σ = = Και seff s -σ s x (-σ) x (σ=0) seff(-σ) -σ δ r +σ x (σ=0) s x (+σ) seff(+σ) +σ δ r Ενισχυτής Quadrature Booster Εάν η γωνία µεταξύ s και σ είναι ±90 ο τότε ο ρυθµιστής γωνίας γίνεται ενισχυτής Quadrature booster = seff = s + σ seff s + σ Όπου η µεταφερόµενη ισχύς P = sinδ + σ cosδ Εδώ βλέπουµε ότι η µέγιστη µεταφερόµενη ισχύς αυξάνεται µε την εγχεόµενη τάση σ εφόσον ο Quadrature booster αυξάνει την τάση αποστολής seff
Βελτίωση µεταβατικής ευστάθειας Εδώ να σηµειώσουµε ότι η ανάγκες σε άεργο ισχύ στα άκρα: Q = cos [ 1 ( δ σ )] π / < δ < π / + σ Ορυθµιστής της γωνίας φάσεως αν και δεν αυξάνει τη µέγιστη µεταφερόµενη ισχύ, κατορθώνει να αυξήσει τη παραµονή της ισχύος στο µέγιστο για κάθε γωνία στο διάστηµα: Ρύθµιση γωνίας φάσης και τάσης µε Thyristor Σε αυτή την οµάδα περιλαµβάνονται: οι ελεγχόµενοι µε Thyristor ρυθµιστές γωνίας φάσης Thyristor Controlled Phase αngle regulators (TCPAR) οι ελεγχόµενοι µε Thyristor ρυθµιστές τάσης Thyristor Controlled voltage regulators (TCR) Τους χρησιµοποιούµε στη θέση µηχανικών εναλλαγέων λόγου µετασχηµατισµού όταν χρειάζεται µεγάλη ταχύτητα απόκρισης απαραίτητη στον δυναµικό έλεγχο για αποφυγή της ακριβής περιοδικής συντήρησης.
Έλεγχος διακριτού βαθµού Εναλλαγέας λόγου µετασχηµατισµού µε ίδια µέρη πηνίων και ισχύος τωνβαλβίδωντων Thyristor Εναλλαγέας λόγου µετασχηµατισµού όπου τα µέρη πηνίων και η ισχύς των βαλβίδων των Thyristor αυξάνονται γεωµετρικά µε τον αριθµό των πηνίων Αριθµός βηµάτων n = l l ( 3 1) / Παράδειγµα ρυθµιστή γωνίας φάσης Εναλλαγέας λόγου µετασχηµατισµού όπου τα µέρη πηνίων και η ισχύς των βαλβίδων των Thyristor αυξάνονται γεωµετρικά µε τον αριθµό των πηνίων
Ρύθµιση γωνίας φάσης και τάσης µε σύγχρονες πηγές τάσης Όπως και στις περιπτώσεις του STATCOM και SSSC υλοποιείται µε σύγχρονη πηγή τάσης βασισµένη σε µετατροπείς SC, οι οποίοι µπορούν να παράξουν ηµιτονοειδή τάση επιθυµητού πλάτους και φάσης και µπορούν αυτόνοµα να παράξουν ή απορροφήσουν τόσο άεργο ισχύ όσο και ενεργό (εφόσον τις τροφοδοτήσουµε µε ενεργό ισχύ στην DC πλευρά) Έλεγχος τάσης Quadrature booster Ρυθµιστής γωνίας Υλοποίηση σύγχρονης πηγής τροφοδότηση ενεργού ισχύος τροφοδότηση/απορρόφηση ενεργού ισχύος γέφυρα µε thyristor µετατροπέας αµφίδροµης ροής ισχύος Το κύκλωµα ισχύος του ρυθµιστή αποτελείται από : Τον µετασχηµατιστή διέγερσης (ΕΤ) που παρέχει την τάση εισόδου Τον µετασχηµατιστή ανύψωσης (ΒΤ) που εγχέει µια ελεγχόµενη τάση, σε σειρά, µε τοσύστηµα Τους µετατροπείς που ελέγχουν το πλάτος και/ή τη γωνία φάσης της εγχεόµενης τάσης
Ανταλλαγή ισχύος Έλεγχος τάσης Quadrature booster Ρυθµιστής γωνίας Σύνοψη αντισταθµιστών βασισµένων σε SC µετατροπείς
Ενοποιηµένος ελεγκτής ροής ισχύος (Unified Power Flow Controller-UPFC) Οι ελεγκτές UPFC έχουν µεγάλο εύρος δυνατοτήτων ελέγχου του συστήµατος µεταφοράς. UPFC κάνουν χρήση των µετατροπέων ισχύος ως σύγχρονων πηγών τάσεως και µπορούν να παρέχουν άεργο ισχύ προς το σύστηµα ή να ανταλλάσσουν ενεργό ισχύ µε το σύστηµα µεταφοράς UPFC έχει την ικανότητα να ελέγχει ταυτοχρόνως ή επιλεκτικά όλες τις παραµέτρους που επηρεάζουν τη ροή ισχύος σε µια γραµµή µεταφοράς (π.χ τάση, επαγωγική αντίδραση, γωνία). Έχει τη δυνατότητα να ελέγχει ανεξάρτητα και την ενεργό και την άεργο ισχύ σε µια γραµµή µεταφοράς. Οι δυνατότητες του UPFC το κατατάσσουν στην πρώτη γραµµή των FACTS όσον αφορά τον έλεγχο της διαθέσιµης ροής ισχύος του συστήµατος µεταφοράς. Μοντέλο του UPFC Μιγαδική τάση, µε ελεγχόµενο µέτρο που κυµαίνεται µεταξύ του 0 και µιας µέγιστης τιµής και γωνία ρ (0 ρ π) σε σειρά µε τηγραµµή µεταφοράς
ύο αντιπαράλληλοι µετατροπείς Λειτουργίες του UPFC ~ Pq = ± Ρύθµιση τάσης Αντιστάθµιση µέσω της σύνθετης αντίστασης της γραµµής ~ ~ Pq = q εγχέεται στο σύστηµα µε διαφορά φάσης ως προς το ρεύµα γραµµής ίση µε 90 0 Στροφή φάσης ~ ~ Pq = σ εγχέεται στο σύστηµα έχοντας µια διαφορά φάσης ως προς την τάση Ταυτόχρονος έλεγχος τάσεως, γωνίας και σύνθετης αντίστασης ~ ~ ~ + + Pq = q σ
Η µεταφερόµενη ισχύς Η µεταφερόµενη ενεργός ισχύς P καθώς και η άεργος ισχύς jqr, στοάκροάφιξης ~ ~ ~ ~ ~ ~ S + r ~ ~ S r P jqr = r ( ) εάν = 0 j έχουµε P jqr = r ( ) j ~ ~ ~ ~ ~ r S r ιαφορετικά έχουµε σύστηµα µε αντιστάθµιση P jqr = r ( ) + j j ~ δ Λαµβάνουµε υπόψη δ / {cos j sin δ S = = + } ~ ~ δ ~ δ δ / {cos j sin δ S r = j sin r = = } και δ ~ j( + ρ ) δ δ = e = {cos( + ρ) + j sin( + ρ)} Εποµένως: ~ ~ ~ ~ δ δ δ δ δ ~ S r r j sin {cos j sin } {cos( + ρ) j sin( + ρ)} Pr jqr = r ( ) + = δ δ j j {cos j sin }{ } + j j µετά από λίγη τριγωνοµετρία Pr jqr = sinδ + sin( δ + ρ) j{ (1 cosδ ) cos( δ + ρ) Έλεγχος µεταφερόµενης ισχύος Έτσι έχουµε: P = sinδ + sin( δ + ρ) Qr = (1 cosδ ) cos( δ + ρ) Θεωρούµε ότι: ηενεργόςκαιάεργοςισχύςτουσυστήµατος χωρίς αντιστάθµιση P ( δ, ρ) = P0 ( δ ) + P ( ρ) P 0 = sinδ Q0 = (1 cosδ ) Q r ( δ, ρ) = Q0r ( δ ) + Q ( ρ) r ενεργός και άεργος ισχύς του UPFC για µια δεδοµένη τιµή τηςγωνίαςδ P ( ρ ) = sin( δ + ρ) Q ( ρ ) = cos( δ + ρ) ρείναι µια ελεύθερη µεταβλητή (0 ρ π) Εποµένως η ενεργός και άεργος ισχύς είναι ελέγξιµες και µεταβάλλονται µέσα στα παρακάτω διαστήµατα τιµών P0 ( δ ) P P0 ( δ ) + Q0 ( δ ) Q Q0 ( δ ) + 0 δ π
ιαστήµατα ελέγχου P = sinδ + sin( δ + ρ) P0 ( δ ) P P0 ( δ ) + Qr = (1 cosδ ) cos( δ + ρ) Q0 ( δ ) Q Q0 ( δ ) + Ανεξάρτητος έλεγχος P,Q από το UPFC Η κανονικοποιηµένη µεταφερόµενη ενεργός και άεργος ισχύς είναι ίση µε: P0 ( δ ) = sinδ = sinδ Q0 ( δ ) = Q0 s ( δ ) = Q0 r ( δ ) = (1 cosδ ) = 1 cosδ αντίστοιχα, θεωρώντας ότι = 1 προκύπτει: 0 ( δ ) = 1 1 { P0 ( δ )} Q0 r ( δ ) + 1 = 1 { P0 ( δ )} Q r { Q0 r ( δ ) + 1} = 1 { P0 ( δ )} { Q0 r ( δ ) + 1} + { P0 ( δ )} = 1 Η εξίσωση περιγράφει ένα κύκλο µε µοναδιαία ακτίνα και κέντρο µε συντεταγµένες P = 0, Qr = 1 σε ένα σύστηµα συντεταγµένων { P,Q r }
Κύκλος µε µοναδιαία ακτίνα Σε κάθε σηµείο του κύκλου αντιστοιχεί ένα ζεύγος τιµών P o και Q or για σύστηµα χωρίς αντιστάθµιση και µια συγκεκριµένη τιµή της γωνίας δ. για δ = 0 έχουµε P o = 0 και Q or = 0, για δ = 30 ο έχουµε P o = 0,5 και Q or = -0,134 για δ = 90 ο έχουµε P o = 1 και Qor = -1 για δ =180 ο έχουµε P o = 0 και Q or = -. Περιοχή ελέγχου UPFC Η ενεργός και άεργος ισχύς µεταβάλλονται από τις τιµές χωρίς αντιστάθµιση P 0( δ ) και Q0 r ( δ ) σε συνάρτηση µε το πλάτος καιτηγωνίαρτηςεγχεόµενης τάσης εφόσον το ρ µεταβάλλεται στο διάστηµα 0 ρ π, τα όρια της υπό έλεγχο περιοχής για P ( δ, ρ) και Q r ( δ, ρ) καθορίζονται από τη πλήρη περιστροφή του στη µέγιστη τιµή του max Για max =0.5 Η περιοχή ελέγχου εποµένως είναικύκλοςτοκέντροτοοποίου ορίζεται από τις συντεταγµένες P 0( δ ) και Q0 r ( δ ) και µε ακτίνα / για s = r = ο κύκλος καθορίζεται από: max { P( δ, ρ) P0 ( δ )} + { Qr ( δ, ρ) Q0r ( δ, ρ)} =
Interline Power Flow Controller (IPFC) Έλεγχος αριθµού γραµµών µεταφοράς σε συγκεκριµένο υποσταθµό για εξίσωση P, Q Μείωση υπερφορτώσεων, αποτελεσµατικότητα σε δυναµικές διαταραχές Εφαρµόζεται όταν η σχέση Χ/R της γραµµής είναι χαµηλή και η αντιστάθµιση σειράς µειώνει µόνο το Χ µειώνει δηλαδή το Χ/R και εποµένως αυξάνει τη ροή άεργου ισχύος και τις απώλειες. IPFC παρέχει δυνατότητα απευθείας µεταφοράς ενεργού ισχύος µεταξύ των γραµµών Βασική ιδέα IPFC