Trasformatore di conversione

In ordine di importanza il trasformatore di stazione è secondo solo al convertitore in termini di costo e funzionalità.

Facendo riferimento alle configurazioni più usate per applicazioni HVDC si è scelto di utilizzare un trasformatore esafase in comunione con due ponti raddrizzatori trifase connessi in parallelo lato AC e in serie lato DC.

I vantaggi sono molteplici:

 Permette di ottenere lato continua una tensione doppia rispetto al caso a singolo avvolgimento, permettendo una riduzione del valore della tensione cui devono essere sottoposte le valvole dei singoli ponti trifase.

 Permette di ottenere la stessa potenza con valori complessivi di corrente ridotta su ogni valvola (non cambia lato AC) rispetto al caso con singolo ponte trifase.  È richiesta una minor potenza reattiva per il funzionamento del convertitore e il

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I parametri fondamentali del trasformatore sono riportati di seguito  Pn= 420 MW

 Fn= 50 Hz  Lcc p.u = 0,12

 Collegamento Yg/YD

 Rapporto di trasformazione: 380/185 kV

Figura 30. Modello del convertitore LCC composto da doppio ponte trifase e trasformatore a tre avvolgimenti.

Figura 31. Parametri elettrici del modello Simulink del trasformatore di stazione.

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La potenza di dimensionamento del trasformatore è 420 MVA. La potenza nominale del collegamento in continua è invece di 350 MVA. Il rapporto 420/350 corrisponde a 1,2. Il leggero sovradimensionamento permette di migliorare il rendimento del trasformatore soprattutto quando si va a lavorare vicino alla potenza nominale del collegamento. Il dimensionamento dell’impedenza longitudinale del trasformatore ha un peso rilevante nel progetto del collegamento. Da essa dipende la potenza di cortocircuito del trasformatore, i tempi di commutazione delle valvole e la capacità di filtraggio delle armoniche di corrente. Valori bassi di impedenza vanno a ridurre i tempi di commutazione ma rendono i guasti lato DC pericolosi per le valvole in quanto aumentano i valori della corrente di cortocircuito.

Al fine di limitare le correnti di corto i trasformatori utilizzati in strutture analoghe presentano impedenze longitudinali dell’ordine dei 0,15 p.u. Nel caso in oggetto è stato usato una Xcc di 0,12, che è risultato essere il compromesso migliore tra tempi di commutazione, bassa Icc e filtraggio delle armoniche.

𝑍 = 𝑉

𝑆 =

(400 × 10 )

420 × 10 = 380,95 Ω (4.7) 𝑋 = 𝑍 × 𝑋 . .= 380,95 × 0,12 = 45,714 Ω (4.8) Cui corrisponde, considerando un’impedenza puramente induttiva:

𝐿 = 𝑋 𝜔 =

47.714

2𝜋50 = 0.151 𝐻 (4.9) La potenza di cortocircuito complessiva ai capi delle valvole del convertitore risulta quindi: 𝑍 ≅ 𝑋 + 𝑋 = 31,42 + 37,7 = 69,12 𝛺 (4.10) 𝑆 _, = 𝑉 𝑍 = (380 × 10 ) 69,12 = 2100 𝑀𝑉𝐴 (4.11)

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4.5 Convertitore a Commutazione Naturale (LCC)

Il convertitore a commutazione naturale è l’elemento centrale della stazione. Ogni ramo del ponte è realizzato attraverso un certo numero di switch elettronici (SCR) connessi in serie, in modo da raggiungere le tensioni necessarie. Questo è necessario a causa del fatto che, come precedentemente indicato, i componenti elettronici attuali non sono in grado di sopportare le tensioni di funzionamento dei moderni HVDC.

Al fine dell’analisi compiuta in questa tesi, risulta ininfluente la modellizzazione di tutti i componenti delle valvole, e risulta più che adatto considerare ogni valvola come costituita da un unico componente elettronico.

Il modello Simulink usato per la simulazione è Universal Bridge di libreria Simscape. Il modello di libreria, non realizzato ad hoc, permette di rendere la trattazione il più generale possibile.

La maschera di tale blocco ci permette di scegliere il tipo di componenti elettronici da utilizzare e i parametri fondamentali per la computazione.

Il convertitore esafase è quindi composto figura 30 da due blocchi Universal Bridge trifase connessi in parallelo lato AC.

I componenti elettronici che compongono il ponte sono i diodi. Il motivo di tale scelta, a fronte dell’uso degli SCR, è stato precedentemente affrontato. Per chiarezza si riporta comunque la filosofia che sta alla base della scelta compiuta: il funzionamento ad angolo di accensione minimo degli SCR non presenta sostanziali differenze per ciò che riguarda gli scopi della tesi dai diodi.

In figura 32 sono riportati i valori scelti per i parametri del modello.

I valori di resistenza, induttanza e tensione di polarizzazione dei componenti sono stati lasciati quelli di default del blocco, data la loro ridotta influenza sui risultati di simulazione.

Sono invece stati impostati i parametri degli snubber RC dei diodi in base alle esigenze di funzionamento. Tali esigenze possono essere riassunte nei due ponti seguenti:

 Limitare la corrente di conduzione attraverso i soppressori RC nel momento di interdizione della valvola.

 Velocizzare il transitorio di commutazione durante l’accensione/spegnimento delle valvole e limitare le sovratensioni originate dal transitorio.

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Figura 32. Parametri del modello del singolo ponte trifase del convertitore

Oltre che i parametri degli snubber durante i transitori di commutazione entrano in gioco anche i parametri RLC di tutta la linea a monte delle valvole.

Data la complessità dell’identificare tutti i parametri del modello che entrano in gioco durante i transitori di commutazione, la scelta dei parametri degli snubber è stata fatta empiricamente, osservando la forma d’onda durante le commutazioni al variare dei parametri. Il punto fermo della scelta dei componenti è stata comunque la realizzazione di un percorso RC ad alta impedenza alla frequenza della fondamentale.

|𝑍 _. | = 𝑅 + = 10000 +

× × ≅ 212 𝑘Ω (4.13) Che assicura alla frequenza di rete un valore efficace della corrente inferiore a:

𝐼 , =

𝑉

𝑍 .

=185.1 × 10

212 × 10 = 0,873 𝐴 (4.14) Lo sfasamento tra le tensioni del ponte superiore e quello inferiore risulta essere di 60° elettrici.

Data la presenza di due ponti l’intervallo di conduzione di ciascuna valvola è 60° invece dei 120° del ponte trifase semplice.

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In figura 33 è riportato l’andamento delle tensioni di linea e la corrente assorbita immediatamente a monte del ponte trifase a diodi collegato all’avvolgimento secondario a stella del trasformatore di stazione.

La misurazione è stata realizzata imponendo al convertitore, attraverso un generatore di corrente una corrente di valore 700 A pari alla corrente nominale del collegamento da 350 MW. A detta corrente, i tempi di commutazione, su cui influiscono soprattutto le induttanze di linea a monte, corrispondono a 1,2 ms. I piccoli gradini sulla parte di conduzione rettilinea della corrente sono dovuti ai transitori di commutazione. Dal profilo di tensione si possono osservare meglio gli effetti delle sovratensioni da commutazione.

Figura 33. Sopra: andamento temporale della tensione concatenata a monte del ponte a diodi trifase. Si notano gli effetti delle commutazioni.

Sotto: andamento temporale della corrente. Si notano chiaramente i transitori di commutazione tra valvole.

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