ESTABILIDAD TRANSITORIA EN SISTEMAS CSCC- HVDC … · Conversor Conmutado con Capacitor Serie Controlado (CSCC) en Corriente Continua en Alto Voltaje (HVDC), en comparación a un

ESTABILIDAD TRANSITORIA EN SISTEMAS

CSCC- HVDC CONECTADO ENTRE DOS

SISTEMAS ELÉCTRICOS DÉBILES B. Chuco Paucar

J. R. OrtizW. R. AraújoJ. O. Pinto

R. Benites S.

ESTABILIDAD TRANSITORIA

EN SISTEMAS CSCC- HVDC

CONECTADO ENTRE DOS

SISTEMAS ELÉCTRICOS DÉBILES

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© B. Chuco Paucar

J. R. Ortiz

W. R. Araújo

J. O. Pinto

R. Benites S.

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0137

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

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Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica

132

ESTABILIDAD TRANSITORIA EN SISTEMAS CSCC – HVDC CONECTADO ENTRE DOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DÉBILES.

1,2B. CHUCO. PAUCAR, 1,2J. R. ORTIZ, 1,2W. R. ARAÚJO, 1J. O. PINTO, 2,3R. BENITES S.

1BATLAB/DEL/UFMS,

2CIEEP,

3UMSM-FIEE

E-mail: [email protected]

Abstract – This work presents the analysis and simulation of the transient state behaviour of a Controlled Series Capacitor Commutated Converter (CSCC) in High Voltage Direct Current (HVDC) system, compared to Capacitor Commutated Converter (CCC) and conventional HVDC systems for different operation conditions. The objective is to shown the viability of modern CSCC-HVDC systems to interconnect two weak AC systems. The systems were implemented in Alternative Transient Program, based in CIGRÉ HVDC Benchmark model, adding the controlled series capacitor compensator. Additionally, it shown the comparison of reactive power level compensated and THD percent between all models. Keywords – CCC, CSCC, HVDC, Transient state, Weak AC systems.

Resumen Este trabajo presenta el análisis y simulación del comportamiento transitorio de un sistema Conversor Conmutado con Capacitor Serie Controlado (CSCC) en Corriente Continua en Alto Voltaje (HVDC), en comparación a un sistema Conversor Conmutado HVDC con Capacitor Serie sin Control (CCC) y el sistema HVDC convencional en diferentes condiciones de operación. El objetivo es mostrar la viabilidad del sistema moderno CSCC-HVDC para interconectar dos sistemas eléctricos débiles. El modelo fue implementado en el programa Alternativo de Transitorios Electromagnéticos, basado en el modelo HVDC Benchmark de la CIGRE, agregando a este el sistema de compensación capacitor serie controlado, adicionalmente se muestra los niveles de compensación de potencia reactiva, y los niveles de THD para cada uno de los modelos.

Palabras-clave CCC, CSCC, HVDC, Estado transitorio, Sistemas AC débil.

I. INTRODUCCION Los sistemas HVDC, hasta la actualidad fueron mejorados continuamente (Ref. 1), sin embargo, el uso del sistema convencional, es aun ampliamente usado en sus diferentes aplicaciones, como es el caso de transporte de energía de grandes cantidades y por centenas de kilómetros sistemas Back to Back como una solución para interconectar dos sistemas asíncronos. No obstante, el HVDC convencional conectado o interconectando a sistemas eléctricos débiles (como el SEP Peruano) cuyo SCR (Short Circuit Ratio) es menor a 2.5 son suceptibles a diferentes tipos de perturbaciones cuyos efectos podrían ser: Colapso de voltaje, fallas de commutación, interacciones con turbogeneradores cercanos a los conversores (Ref. 2) y (Ref. 3), entre otros efectos. Para mitigar tales problemas, fueron propuestos diferentes estratégias para controlar los ángulos de disparo en los thyristores (Ref. 4),

resultando aun deficientes para casos extremos de fallas monofásicas en el lado inversor del HVDC, por otro lado, para el problema de deficiencia de potencia reactiva, fueron propuestos los CCC-HVDC (Ref. 5), mejorando la operación durante los instantes de fallas, sin embargo, en algunas condiciones de operación presenta riesgos por generar elevados sobretensiones o sobrecorrientes. Los nuevos sistemas CSCC-HVDC propuesto como una nueva alternativa con compensación serie controlado, incrementa la estabilidad transitoria de los sistemas eléctricos débiles interconectados, supera las deficiencias presentadas en HVDC convencional y los CCC-HVDC, dismuniyendo el consumo de la potencia reactiva, tal como se puede apreciar en los resultados mostrados en este trabajo.

II. MODELAMIENTO DEL SISTEMA HVDC

1: Laboratório de inteligencia artificial, electrónica de potencia y electrónica digital del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UFMS-Brasil.

El modelo HVDC utilizado en este trabajo, es el primer modelo de CIGRE HVDC Benchmark (Ref. 6). El método de control 2: Centro de Investigaciones Eléctricas – Electrónicas del Perú.

3: Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Ingeniría Eléctrica y Electrónica.

Estabilidad transitoria en sistemas CSCC-HVDC conectadoentre dos sistemas eléctricos débiles

Memorias - XVII CONIMERA

133

aplicado es el modelo propuesto en (Ref. 4), el sistema convencional es de 12 pulsos, Vd=500 kV., Pd=1000 MW. El modelo y los controladores no están disponibles en el ATP-Draw versión 4.2 - 2006 (programa usado en este trabajo), ellos fueron implementados en el programa y comparados con los modelos disponibles en PSCAD-EMTDC y el MatLab. El sistema CSCC modelado fue validado con un sistema TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) realizado por ABB. El sistema en estudio tiene las siguientes caracteristicas: Rectificador: SCR=2.5<-85º ; ESCR=1.9<-82° Inversor: SCR = 2.0<-75º; ESCR = 1.9<-70°

El sistema de potencia es compuesta por: lado AC, lado DC, y unidades de conversión.

A. Lado AC

1). Sistema equivalente: puede adoptar diferentes configuraciones: R-L, R-R-L, L-L-R. El valor es calculada a partir de (1):

SCRPV

Zd

ls *

2

(1) Donde:

Zs - Impedancia de fuente Vl, - Voltaje del lado AC Pd - Potencia nominal del sistema HVDC SCR - Relación de corto circuito .

2). El sistema de compensación: La compensación reactiva requerida es en el orden del 50% del MW a transferir en sistemas convencionales de (2):

dc

C

P

QSCRESCR

(2) Donde: Qc - Potencia Reactiva Total ESCR – Relación efectiva de corto circuito

Los MVARs es suministrada por el sistema AC, por el sistema de compensación y los filtros.

3). Transformador Conversor: Esta es dimensionada normalmente con una potencia de 1.2 pu de la potencia MW a transferir por el sistema HVDC con Lpu=0.15-0.18pu, en este caso fue escogida 0.18pu. la configuración de los transformadores pueden ser: Monofásicos de tres devanados, Monofásicas de dos devanados, conectados en delta-estrella con neutro a tierra en el lado ac.

4) Filtros AC: los filtros absorben las armónicas producidas en el conversor(6-12n+/-1), e inyecta potencia reactiva de acuerdo al tamaño, el diseño es a partir de (3) y el filtro a partir de (4) y (5):

fphV

MVarC

*2

(3)

CL

r *

12

(4)

Q

LR r *

(5)

Donde:

r - Frecuencia de la armónica no deseada

f - Frecuencia fundamental

Q - Factor de calidad, Calculada a partir de (6):

r

fph

MVAR

V

RQ

**

12

(6)

En (6), se puede asumir el valor de R tal que permita conseguir un adecuado ancho de banda y factor de calidad.

B. Lado DC

Las ecuaciones del sistema HVDC, son dadas por 14 ecuaciones y 18 variables desconocidas (Ref. 7) definen el comportamiento del sistema DC y a partir de ellos se diseña el sistema de control.

1). Rectificador:

Xc

VlId rms

2))cos()(cos(

(7)

XcIdVlVd rms

3)cos(

23

(8)

2)cos()cos(

)cos( (9)

IdI6

(10)

rmsVl

XcId

2)cos()cos(

(11)

2). Inversor:

Xc

VlId rms

2))cos()(cos(

(12)

XcIdVlVd rms

3)cos(

23

(13)

2

)cos()cos()cos(

2)cos()cos(

(14)


134

IdI6

(15)

rmsVl

XcId

2)cos()cos(

(16)

Donde:

Is - Corriente RMS. Vlrms - Voltaje del lado AC. Xc - Reactancia de Conmutación

,, -Ángulo de disparo, Ángulo de extinsión, Ángulo de superposición

VdId, - Corriente y Voltaje DC.

)cos( - Factor de potencia.

3). Modelo del conversor: es representada mediante el modelo de Graetz – trifásica, cada uno de los thyristores es protegida por el circuito paralelo RC – Snubber, diseñado a partir de (17):

Cs

TsRs

, )(*2*1000 rmsll

dph

Vpif

PCs

(17)

El circuito de la Fig. 1, limitador de di/dt y dv/di, RC snubber sirven para otros propositos como limitar las oscilaciones numéricas (Ref. 8), proteger a los Thyristores de cambios bruscos de corrientes y de los daños térmicos.

C. Sistema de Control del HVDC.

El sistema de control actúa sobre los Thyristores en el rectificador e inversor a partir de los valores de corriente y voltaje, en el lado AC y DC del sistema.

1). Unidad de control del ángulo de disparo:

Los Thyristores generalmente son controlados con el ángulo de disparo a través del gate

(compuerta), para mayor precisión se utiliza el control PLL (Phase Locked Loop) (Ref. 9) y el VCO (Voltage Controlled Oscillator) (Ref. 7), esta es mostrada en la Fig. 2. El error de la señal es generado por el controlador PI a partir de un valor de referencia en el VCO. El sistema de control del rectificador consiste en controlar la corriente del rectificador mediante la unidad VDCOL (Voltage Dependent Current Order Limit) (Ref. 7).

2). Controlador de corriente del rectificador:

El diagrama simplificado de control es mostrado en la Fig. 3.

Ki/s + Kp

Id

Id* dIdI

Alpha

Alpha max

Alpha min

-

+

Fig. 3. Controlador simplificado de la corriente DC.

1uF10K

0.0.01 1mH1mH

Fig. 1. Circuito Snubber

El comportamiento del control de la corriente DC es basado en (7) y (8) y se puede apreciar, que, frente a un incremento de corriente DC en el rectificador dl > 0, incrementa Alpha y de acuerdo a (7), Vd incrementa. El sistema de control del inversor consiste de ambos, controlador de corriente y controlador de gamma (ángulo de disparo en el inversor) colocados en paralelo los bloques de control de las Figuras 3. y 4.

Ki/s + Kp

g

Ig* dgdI

Alpha

Alpha max

Alpha min

-

+

Fig. 4, Controlador simplificado del ángulo de extinsión.

D. Fallas de Conmutación del Inversor.

El problema de conmutación es muy común en sistemas convencionales que operan con conversores basadas en Thyristor interconectado a sistemas débiles AC con SCR por debajo de 2.5, como muestra en la Fig. 5, al ocurrir una falla monofásica en el lado inversor los Thyristores 1 y 3 no conmutan la corriente manteniendose el Thyristor 1 en estado de conducción, esto ocasiona el incremento considerable de la corriente y en consecuencia se reduce la corriente DC y el ángulo gamma incrementa.

3f

2f

X

X

X

Ki/s

Kp

X X 1/s

OSC

Va

Vb

Vc

Valpha

Vbetha+

+

Erro

Cos

Sin

Uref

dUref

Theta

2*pi

0

PI control

Fig. 2 Diagrama de Control basada en PLL y VSL


135

0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 0.25[s]-20

0

20

40

60

80

100

120

140*103

Fig. 5 Falla de conmutación en las Thyristores del inversor.

E. CCC y CSCC (Capacitor Commutated Converter & Controlled Series Capacitor Converter).

Son sistemas modernos que mejoran diferentes problemas en sistemas eléctricos tales como: la calidad energética, interconexión de sistemas débiles, entre otras. La compensación de potencia reactiva mediante los capacitores en serie mejora el desempeño del rectificador-inversor, ampliando la región de estabilidad del sistema eléctrico, el límite de transferencia de potencia, el rango de variación del ángulo de disparo en los Thyristores, mejora el performance en estado transitorio, la calidad de energía durante las fallas, la curva características Id-Vd, disminuye el nivel de compensación de potencia reactiva y evita las fallas de conmutación. Entre los sistemas CCC y CSCC, la diferencia principal es en el control de las posibles resonancias subsíncronas SSR (Ref. 10) y oscilaciones torsionales subsíncronas SSTI (Ref. 3), estas son evitadas con CSCC-HVDC. La parte difícil es en el dimensionamiento adecuado del capacitor en serie y el diseño del control de los Thyristores en el sistema CSCC. para calcular el valor del capacitor en el CSCC se puede considerar entre el 16 a 20% de la reactancia total (Transformador y el equivalente del sistema eléctrico del lado inversor), la potencia reactiva resulta entre el 20 a 30% de la potencia reactiva requerida en sistema convencional, en (19) se muestra para estimar. Para calcular la reactancia equivalente del CSCC en función del ángulo de disparo del thyristor (disposición antiparalelo) usamos el (18), todas las configuraciones del HVDC son mostrados en la Fig. 6.

~AC-filtersandReactive compensation

V1 V3 V5

V2V6V4Vs

Vd

+

-

Id

Vdc1 3 5 1

3

µ

(a)

~

AC-filtersV1 V3 V5

V2V6V4Vs

Vd

+

-

Id

C

C

C

Fix

ed R

eact

.C

ompe

nsat

ion

(b)

~

AC-filtersV1 V3 V5

V2V6V4

Vs

Vd

+

-

Id

C

Controlled React.Compensation

(c)

Fig. 6. Configuraciones del sistema HVDC: (a) HVDC Convencional; (b) CCC-HVDC; (c) CSCC-

HVDC.

)1(

)(1

2

2

x

x

k

senkXcXe

2tan

2tan(

)1(

)2/cos(422

2x

x

x

x kk

k

k (18)

Donde:

)(2 ,

rxXlXckx /

Xc - Reactancia del capacitor equivalente Xe – Reactancia equivalente Para los siguientes valores del HVDC:

R X5,6549 33,9

L

considerando el 20% resulta L C

2,16 469,5 para una relación de Xc/Xl=10 el cual resulta los reactivos a compensar de 74,38 MVAr. De (19):

2*3 IlXcMVAr (19)

Con los valores mostrados el ángulo de resonancia es 152 grados, por consiguiente el ángulo de disparo varía entre 154 a 180


136

grados y en condiciones normales opera en 168 grados. grados y en condiciones normales opera en 168 grados. Para el sistema CCC, el capacitor en serie, es calculada de (20): Para el sistema CCC, el capacitor en serie, es calculada de (20):

%100deg/10max

CF (20)

Donde:

CF – Factor de compensación, el cual es definido como:

Xt

XcCF

(21)

Donde: Xc – Reactancia del capacitor en serie/fase. Xt – Reactancia del transformador.

El nivel de compensación serie depende de (18) (Ref. 11). Normalmente en sistemas CCC, el nivel de compensación total en potencia reactiva es 3(4BP+HP+Capacitor Serie), representa un máximo de 25% de la potencia activa total a transferir por el sistema HVDC, esto corresponde a una variación del CF entre 1 a 4. El efecto del CCC en Alpha y Gamma, es mostrada en (Ref. 8) y gráficamente es mostrada en la Fig. 7.

III. RESULTADOS DE SIMULACIÓN

El sistema modelado es basado en el CIGRE HVDC Benchmark mostrado en (Ref. 6) y (Ref. 12). Todos los sistemas de control fueron modelados usando MODELS lenguaje de programación propio del programa ATP (Ref. 13). El sistema es de 500 kV, 1000 MW, 2kA dc. la representación del sistema es en el ATP-Draw (Ref. 14).

A. Casos de estudios:

Fallas trifásicas en el lado inversor, considerando diferentes niveles de voltaje alcanzado durante la falta: (Caso 1 = 0%, Caso 2 = 50%, Caso 3 = 75%, Caso 4 = 25%), las Figuras 8 – 11, muestran el Idc (pu), Vdc (kV), e Ivalve (A), para todos los casos.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

(a)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]-600

-400

-200

0

200

400

600

[kV]

Vdc, caso FALLA 3F, 0%- CCC & Convencional

6 138 140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 160 162 164

Seqüência1

Fig. 7. Representación de la reactancia equivalente respecto del ángulo de disparo (modo inductivo y

capacitivo).

Zona Inductivo

Idc

(pu)

Conventional HVDC CCC - HVDC

Zona Capacitivo

Vdc

(kV

)


(b)

0.550 0.555 0.560 0.565 0.570 0.575 0.580 0.585[s]-200

320

840

1360

1880

2400

[A]

Ival

ve (

A)

Conventional- HVDC Valve 1

Valve 5 Valve 3 Valve 1

(c)

0.555 0.565 0.575 0.585 0.595 0.605 0.615 0.625[s]-200

200

600

1000

1400

1800

2200

[A]

y

Ival

ve (

A)

CCC - HVDCValve 1

Valve 5

Valve 3

(d) Fig. 8. (a) Idc (pu); (b) Vdc (kV), HVDC

convencional comparado con CCC-HVDC; (c) Ivalve


137

(A), HVDC convencional; (d) Ivalve (A) CCC-HVDC. Caso 1.

(A), HVDC convencional; (d) Ivalve (A) CCC-HVDC. Caso 1.

CIGRE HVDC 50 l4 IDC PU

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

(a)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]-600

-400

-200

0

200

400

600

[kV]

(b)

CIGRE HVDC 50 l4 VYINV CV0121 V V0321YINVB C VYINVC CV0521

0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62[s]

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

[A]

(c)

Fig. 9. (a) Idc (pu); (b) Vdc (kV); (c) Ivalve (A); HVDC Convencional comparado con CCC-HVDC. Caso 2.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

(a)

CIGRE HVDC75 l4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]-600

-400

-200

0

200

400

600

[k

Vdc

(kV

)

V]

Idc

(pu)

POLORE

(b)

0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60[s]-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

[A]

, ,

(c)

Fig. 10. (a) Idc (pu); (b) Vdc (kV); (c) Ivalve (A) HVDC Convencional comparado con CCC-HVDC.

Caso 3.

CIGRE HVDC l4 LINHAR MEIO L

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

[A]

g p ( p )

(a)

0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85[s]-300

-200

-100

0

100

200

300

[kV]

(b)

Vdc

(kV

)



Ival

ve (

A)



Ival

ve (

A)


Idc

(A)

Conventional HVDC CSCC - HVDC


Vac

(kV

)

Conventional HVDC CSCC - HVDC

Idc

(pu)


138

HVDC CCC l4 LINHAR MEIO L

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

[A]

(c)

Fig. 11. (a) Idc (A); (b) Vac (kV) lado inversor; (c) Idc (A). comparado entre HVDC Convencional, CCC-HVDC y

CSCC-HVDC.Caso 4.

IV ANÁLISIS DE RESULTADOS

Con propósitos de comparación de resultados entre los modelos CIGRE HVDC Convencional, CCC-HVDC y CSCC-HVDC fueron producidos fallas trifásicas en el lado inversor considerando diferentes impedancias de falta que repercute en los niveles de voltaje (0%, 50%, 75% y 25%) respectivamente. Para una facil comparación de los resultados, en las Figuras. 8, 9, 10 y 11 fueron superpuestos las salidas de los modelos tratados tal como puede apreciarse en la Fig. 6. En la Fig. 11-c, ha sido comparado las salidas de los tres modelos, mostrando una sobrecorriente en los primeros instantes. Para el HVDC con capacitor fijo en seriel, y el performance entre el Capacitor fijo y el Capacitor controlado por Thyristor, el último modelo es más efectivo, minimisando el nivel de la compensación de la potencia reactiva mostrado en la Tabla I, mejorando la respuesta en el sistema AC del lado inversor, como se puede apreciar en la Fig. 11-b.

V CONCLUSION

En este trabajo se evaluó el comportamiento transitorio en el sistema HVDC convencional basado en el modelo del CIGRE Benchmark, los modelos CCC-HVDC y el CSCC-HVDC, el CCC-HVDC mitiga el problema de conmutación disminuye considerablemente el nivel de la compensación de potencia reactiva, sin embargo produce una sobre corriente en los primeros instantes e incrementa el nivel de las armónicas tal como es apreciado en la Tabla I. El CSCC-HVDC, tiene comportamientos satisfactorias, minimiza los defectos del caso capacitor fijo, mejora los niveles de voltaje del lado AC y del lado DC durante las fallas, la demanda es de 16.9% de la potencia reactiva

requerida por el HVDC convencional. Adicionalmente, evita las posibles fallas de conmutación y la resonancia subsíncrona es limitada por el control del ángulo de disparo de los thyristores en el CSCC.

TABLA I

Armónicos en los modelos

Order

Case (0%) 11 13 23 25 THD%

Conv. 846.1 655.14 450.48 392.1 1.0681 CCC 2352.1 1810.9 1463.6 1324 2.8830

CSCC 948.59 764.08 566.99 482.94 1.2848

Potencia reactive compensada

Conventional -HVDC 440 MVAR CCC-HVDC 116 MVAR

CSCC-HVDC 74.38 MVAR

La Table I muestra los niveles y los indices de armónicas (THD) en el lado del inversor para todos los modelos en el caso 4. Así mismo, muestra los niveles de compensación requerida por los modelos estudiados.

REFERENCIAS

(Ref. 1) A.M. Gole; “New HVDC Converter Technologies” KEPRI Seminar, Manitoba University, October 2003, Class Notes, Spring 2006.

(Ref. 2) Z. Gang, Z. Jianchao, Ch. Xiangxun, “Study on Commutation Failure in an HVDC Inverter”, Proceedings POWERCON'98., Vol. 1, Aug. 1998, pp.: 503–506.

(Ref. 3) N. Rostamkolai, R.J. Piwko, E.V. Larsen, D.A. Fisher, M.A. Mobarak, A.E. Poltras; “Subsynchronous Torsional Interactions with Static VAR Compensators-Influence of HVDC”, IEEE Trans. , Vol. 6, Feb. 1991 pp.: 255 – 261.

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ESTABILIDAD TRANSITORIA EN SISTEMAS CSCC- HVDC … · Conversor Conmutado con Capacitor Serie Controlado (CSCC) en Corriente Continua en Alto Voltaje (HVDC), en comparación a un