Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός υβριδικού συστήματος που περιλαμβάνει έναν HVDC μετατροπέα (με θυρίστορ μεταγωγής γραμμής) και ένα στατικό αντισταθμιστή και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας σε δίκτυα που δε διαθέτουν σύγχρονη παραγωγή. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη διασύνδεση σε ένα κεντρικό δίκτυο. Το προτεινόμενο σύστημα συνδυάζει καλή απόδοση, χαμηλό κόστος και μικρή απώλεια ισχύος από τον HVDC μετατροπέα με τη γρήγορη δυναμική απόδοση ενός συστήματος μεταφοράς στηριζόμενο σε VSC (μετατροπέας πηγής τάσης). Η μελέτη περιγράφει τις αρχές και τις στρατηγικές ελέγχου του προτεινόμενου συστήματος. Επίσης παρουσιάζονται προσομοιώσεις στο πρόγραμμα PSCAD που καταδεικνύουν τη δυναμική συμπεριφορά και αξιολογούν το προτεινόμενο σύστημα κάτω από διάφορες συνθήκες λειτουργίας, όπως ψυχρή εκκίνηση, αυξομειώσεις φορτίου ή παραγωγής και συνθήκες ac σφαλμάτων. / The current diploma thesis deals with the development of a hybrid system comprising an HVDC converter (line commutated thyristor) and a STATCOM which is proposed for the connection of networks with no synchronous generation to a main grid. The proposed system combines the robust performance and low capital cost and power loss of a line-commutated HVDC converter, with the fast dynamic performance of a VSC system. The thesis describes the principles and control strategies of the proposed system. PSCAD/EMTDC simulations are presented to demonstrate the robust performance and to validate the proposed system during various operating conditions such as black-start, variations of load or generation and ac fault conditions.

Los sistemas de transmisión de energía en corriente continua han aumentado considerablemente en el último tiempo; este tipo de transmisión presenta, para ciertas aplicaciones, varias ventajas en comparación a la transmisión tradicional en corriente alterna. Entre sus principales usos se destaca la transmisión de energía a largas distancias y la transmisión subterránea, caracterizándose por su alta controlabilidad, seguridad y precisión. Estos sistemas necesitan gran cantidad de componentes, con diferentes funciones entre sí para poder operar de forma óptima, por lo que su correcta implementación presenta varios desafíos. El sistema de control de estos enlaces puede ser considerado como uno de los elementos más complejos e importantes del sistema HVDC, ya que en un alto grado determina toda la forma de funcionamiento tanto del sistema HVDC como de los sistemas AC conectados por el enlace. El objetivo general de este trabajo consiste en modelar un sistema de control de un enlace HVDC, con el cual se puedan estudiar tanto las principales fallas que afectan a estos sistemas como las acciones de control que se emplean para minimizar el efecto de estas fallas. El trabajo realizado se puede dividir en cuatro etapas: una etapa de investigación y modelación del sistema de control, una etapa de validación del sistema modelado, una etapa donde se estudia el sistema de control funcionando en el SIC con el proyecto hidroeléctrico Aysén y, finalmente, una etapa donde se analiza el enlace HVDC controlando la tensión AC en la estación inversora. Como resultado de la etapa de investigación se propone un sistema de control, con un conjunto de elementos auxiliares necesarios para el correcto funcionamiento del enlace HVDC. Para validar el sistema de control, se lo implementa en la red de prueba Benchmark de CIGRÉ, y se comparan diferentes simulaciones de fallas características de los sistemas estudiados, con simulaciones de diferentes sistemas de control encontrados en la literatura actuando en la misma red de prueba Benchmark y frente a las mismas fallas. Los resultados encontrados luego de comparar el tiempo de estabilización, de subida y peak de corriente en las fallas simuladas, validan el funcionamiento del sistema de control modelado. Al incorporar el sistema de control al enlace HVDC Aysén-SIC, y realizar estudios de flujos de potencia, de estabilidad transitoria y falla permanente de la línea DC, se pudo mostrar que en todos los casos analizados los sistemas estudiados cumplen con los requisitos exigidos por la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicios. Para todas las contingencias simuladas, el sistema HVDC muestra un comportamiento aceptable, logrando evitar que los sistemas AC conectados por el enlace presenten problemas asociados a la estabilidad de tensión. Los resultados obtenidos en la última etapa, muestran que al incorporar un sistema de control del voltaje AC en el enlace HVDC, es posible controlar la potencia reactiva consumida por las estaciones conversoras, controlando de esta forma la tensión AC en los terminales del enlace. A lo largo del trabajo, se discute la necesidad de sincronizar la acción de este control con filtros o bancos de condensadores, con el fin de asegurar la operación económica del enlace. En cuanto a las restricciones de este control, se analiza la necesidad de limitarlo cuando se presenten disminuciones del voltaje AC.

A mediados del siglo XX, con la expansión de los sistemas eléctricos, se hizo necesario disponer de alternativas a la transmisión en alta tensión con corriente alterna, buscando satisfacer la mayoría de los nuevos requerimientos de distancias y niveles de potencia a transmitir. Los avances realizados en la electrónica de potencia, provocaron un aumento del uso de la transmisión en HVDC en los últimos 60 años. En el contexto señalado, el presente trabajo tiene por objetivo crear un elemento u objeto dentro del programa de desarrollo e investigación del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile, llamado DeepEdit, que permita realizar simulaciones estacionarias en sistemas que contengan enlaces HVDC. Como objetivos específicos se definen: • Conocer el estado del arte de la modelación de enlaces HVDC, • Definir el criterio de modelamiento que permita elegir el modelo más adecuado, según los requerimientos estipulados, • Una vez validado el modelo, determinar preliminarmente el efecto en el Sistema Interconectado Central (SIC) de un enlace HVDC. Dado el alcance del trabajo, las publicaciones estudiadas están enfocadas a realizar estudios estáticos en los sistemas. En este sentido, se logra diferenciar 4 trabajos, de las cuales según la forma y la cantidad de aproximaciones que realizan, se selecciona el que resulta más consistente con el nivel de detalle buscado. El estudio seleccionado realiza un análisis de trabajos anteriores, detallando las ventajas y desventajas de cada uno, y en base a esas conclusiones plantea un nuevo método. Se resume el funcionamiento básico de las conexiones HVDC, sus requerimientos, sus beneficios y formas de implementar que poseen. Una vez implementado en DeepEdit el método seleccionado haciendo uso de una estructura orientada al objeto, se obtiene una validación precisa de éste. Lo anterior se sustenta en el hecho de que, los resultados del sistema ejemplo entregado en la publicación de referencia del método seleccionado utilizando el programa comercial PowerWorld, alcanzan resultados muy similares con los que entrega la herramienta desarrollada. El error alcanzado es menor al 1%, por lo que la implementación es una buena aproximación para encontrar el estado de operación de este tipo de enlaces en los sistemas de potencia. Con un pequeño análisis de la metodología del modelo planteado, se logra detectar que el modelo propuesto no es compatible para el caso en que el enlace HVDC divida el sistema en dos. Se deja propuesto como trabajo futuro lograr la completa integración del enlace a los cálculos en sistemas que se encuentren unidos únicamente por un enlace DC y así poder aplicarlo a estudios en el sistema eléctrico chileno. Para llevar a cabo este tipo de cálculos, se debe poder definir más de una barra slack para equilibrar las potencias a ambos lados del enlace DC. Además, el método seleccionado se puede agregar a otros métodos de cálculo existentes en el programa DeepEdit.

El crecimiento de la demanda eléctrica en el país requiere de nuevas fuentes de energía por parte del sector público y privado. En particular, una región que posee un gran potencial energético hidráulico es la XI Región de Aysén. Sin embargo la concentración de la demanda se encuentra en el centro del país por lo que es necesario transmitir una gran cantidad de energía, estimada inicialmente en 2750[MW] de potencia activa, a través de aproximadamente 2000[km] de longitud. En este contexto, la mejor solución técnico – económica disponible para la transmisión es un enlace de corriente continua en alto voltaje (HVDC del inglés “High Voltage Direct Current”). El disponer de un enlace HVDC de las características del proyecto Aysén ofrece importantes oportunidades para mejorar la operación de los sistemas de corriente alterna a los que se conecta. En efecto, un enlace HVDC utiliza elementos de electrónica de potencia de muy rápida respuesta, por lo que es posible plantear esquemas de control que contribuyan a la seguridad y estabilidad dinámica del sistema. En esta memoria de título se plantea como objetivo el desarrollo de un esquema de control para amortiguar oscilaciones electromecánicas debido a pequeñas perturbaciones. En este trabajo, se desarrolla una guía general para el problema de amortiguar oscilaciones electromecánicas en el intervalo de 0.1 – 2 [Hz]. Para ello se desarrolla un modelo y una herramienta computacional en MATLAB que resuelve en forma linealizada un modelo dinámico del Sistema Interconectado Central de Chile reducido considerando 6 variables de estado por generador, y las ecuaciones de flujo de potencia alterno y continuo para los balances de potencia. Con el sistema linealizado se diseña un control de lazo cerrado clásico para amortiguar oscilaciones de potencia utilizando como variable de control la corriente de operación del enlace HVDC y como variable controlada la diferencia angular entre 2 barras del sistema. Como resultado se obtiene que la técnica utilizada a través de la herramienta computacional desarrollada en esta memoria, efectivamente logra amortiguar las oscilaciones de potencia en el sistema deseado, logrando una variación del factor de amortiguamiento de para el modo local.

abstract: An embedded HVDC system is a dc link with at least two ends being physically connected within a single synchronous ac network. The thesis reviews previous works on embedded HVDC, proposes a dynamic embedded HVDC model by PSCAD program, and compares the transient stability performance among AC, DC and embedded HVDC. The test results indicate that by installing the embedded HVDC, AC network transient stability performance has been largely improved. Therefore the thesis designs a novel frequency control topology for embedded HVDC. According to the dynamic performance test results, when the embedded HVDC system equipped with a frequency control, the system transient stability will be improved further. / Dissertation/Thesis / M.S.Tech Electrical Engineering 2013

Debido a la escasez de recursos energéticos cercanos a los centros de consumo y los avances tecnológicos de la electrónica de potencia es que la transmisión en corriente continua a altas tensiones (HVDC) ha ganado terreno en las últimas décadas. El objetivo general de esta memoria consiste en estudiar la operación de un sistema de generación AC -llamado sistema colector a lo largo del trabajo- que alimenta una estación rectificadora HVDC como única carga. La investigación realizada permite establecer que la naturaleza de una carga de este tipo, insensible a la frecuencia, obliga a realizar estudios estáticos y dinámicos para demostrar que los parámetros del sistema colector y que las medidas de control que pueden adoptarse ante contingencias permiten la operación del sistema AC bajo norma. El proyecto Energía Austral, que se encuentra aún en etapa de desarrollo, se usa como inspiración para crear un modelo sobre el cual se realizan estudios estáticos y dinámicos para observar su comportamiento ante los fenómenos que la literatura describe como relevantes. Los estudios estáticos se dividen en: flujos de potencia, que permite establecer un adecuado intercambio de reactivos entre los que aportan los filtros y los que provee el sistema colector para satisfacer los requerimientos de la estación rectificadora, además de verificar que los límites térmicos no son sobrepasados; autoexcitación, mediante el cual se determinan las reactancias de las unidades de generación con el fin de evitar este fenómeno; cortocircuitos, con los que se determina si el sistema es robusto ante interacciones AC/DC. Los estudios dinámicos permiten, mediante contingencias en el enlace, determinar rangos de parámetros para las inercias y reactancias subtransitorias con el fin de limitar las sobrefrecuencias y sobretensiones temporales respectivamente. Adicionalmente, mediante el control del enlace, es posible mitigar las caídas de frecuencia ante salidas intempestivas de generadores, dada la naturaleza aislada del sistema en que no existe reserva en giro y que la carga resulta insensible a la frecuencia. Finalmente, se propone una guía que permite establecer los estudios que demuestran la operación segura del sistema colector.

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The purpose of this thesis is to analyse alternative discharging methods of HVDC cables for a DC test in a real situation. It is necessary to research relevant data and consult contacts in order to solve the task. The project is based on the implementation of a developed system on the testing object and preceded by tests in the High Voltage Laboratory in Karlskrona. Simultaneously the main requirement is to completely exclude any human contribution in the discharging process of the DC cable and to maintain the highest safety standards in line with ABB policy. Currently the discharge process after DC testing is completed manually. Testing is carried out by increasing the voltage until the test voltage is reached and kept constant throughout the test period. Followed by switching off the voltage and allowing the cable to initially self-discharge, before it forces the discharge through the discharging water resistor. When the voltage is zero, cable termination ground by providing a secure grounding. Initially the cable charges out through self-discharge and this must continue down to the Uo. To avoid damaging the test object by maintaining the voltage for too long, discharge can begin after 45 minutes if the voltage drops below under 1,2 Uo. The forced discharge occurs by an earth rod connecting the discharge resistance to the ground. Past tests have shown the occasional use of a linked up Water Conditioning Unit system consisting of the pump and filters to ground out by hoses filled with deionized water. This method has been reviewed and modernized which made it more accessible and reliable.

Dans les nombreuses études actuelles sur le photovoltaïque, on assiste à de grands progrès tant dans le domaine des cellules à haut rendement énergétique, que sur les structures liées à l'exploitation. Afin de tirer parti de toute l'énergie produite, il a paru de tout premier ordre d'orienter les recherches sur les architectures parallèles en bus haute tension. Pour la génération de hautes tensions il est impératif d'utiliser des convertisseurs spécialement adaptés. En effet, si on utilise des convertisseurs classiques on se heurte à la problématique des pertes dans les composants de puissance, et notamment le transistor MOSFET de commutation utilisé pour le découpage. Une première étude a permis de vérifier que les contraintes de tension entraînent pour le transistor des pertes importantes aux tensions élevées. Cette première étude montre que seuls les transistors de faible tension inférieure à 100V ont des caractéristiques intéressantes pour notre application. Une recherche systématique a abouti à l'élaboration d'un convertisseur Boost à couplage magnétique. Grâce au recyclage des énergies parasites, les essais montrent que ce montage est bien adapté à notre application permettant d'obtenir des rendements de plus de 90%. Parmi les différentes stratégies d'extraction de puissance, le MPPT à incrément de conductance a été choisi pour ses qualités de précision et de facilité de mise en œuvre. Chaque panneau équipé d'un convertisseur envoie la puissance recueillie sur le bus haute tension, lui même relié à un onduleur de type SMA / In various studies on photovoltaic, major progresses have been observed, both concerning the cells and also in the field of their use. In order to take advantage of the energy it has been paramount to focus on parallel High Voltage bus. This High Voltage generation requires dedicated converters. In fact, using classical converters implicates important losses in the MOSFET used for switching. In a prior study we could ascertain important losses on transistors when submitted to high voltages as we assumed. It was shown then that only the transistors supporting a voltage less than 100V can be used for our application. A systematic investigation led to the Magnetically Coupled Boost converters. Thanks to the recycling of parasitic losses, our tests show an efficiency superior than 90%. Among the different power extraction strategies, the incremental conductance MPPT was used because of its top of the arts performances and convenience. Every DC/DC implemented panel converter supplies the HVDC bus which, itself, is connected to the SMA inverter

Ingeniero Civil Electricista / Para el sector industrial resulta de suma importancia la calidad y continuidad del suministro eléctrico. Principalmente debido a la alta sensibilidad de diferentes equipos a las variaciones rápidas de voltaje, ocasionando cuantiosas pérdidas monetarias por paradas intempestivas del proceso productivo. Una depresión rápida de la tensión o hueco de tensión se define como una caída momentánea del valor rms de voltaje, que puede producir la operación errónea o desconexión total de un equipo o sistema. Estimar la magnitud y frecuencia de estos fenómenos en las instalaciones del sistema interconectado central chileno se vuelve de gran utilidad a la hora de decidir invertir en nuevas instalaciones o seleccionar puntos de conexión para éstas. El objetivo de este trabajo es estimar estocásticamente la ocurrencia de huecos de tensión en las barras del sistema troncal del SIC. La estimación estocástica emplea datos de falla de las instalaciones y pronostica la ocurrencia de los huecos a través de simulaciones de falla en el sistema, esto último requiere mucho menos tiempo que estimar los huecos de tensión mediante el monitoreo del sistema. Para realizar esta estimación estocástica se calculan las magnitudes del voltaje durante fallas en diversos puntos del sistema y se combina esta información con la tasa de falla de las posiciones de falla consideradas. Los resultados permiten caracterizar el sistema en términos frecuencia y magnitud de huecos de tensión en las distintas barras. De igual manera se encontraron las áreas donde al ocurrir una falla se afecta a barras sensibles del sistema, conocidas como áreas de vulnerabilidad, se contempló una para cada zona norte, centro y sur del sistema. Los resultados muestran que la zona norte del sistema interconectado es la que experimenta más huecos de tensión de severidad media a profunda durante un año, y que la zona sur es la que menos se ve afectada por huecos severos. Lo anterior justificado por la topología del sistema en la zona norte, líneas largas de un circuito y poca generación. Las áreas de vulnerabilidad encontradas son extensas para las tres barras estudiadas, siendo las fallas en el sistema de transmisión de 500 kV las que afectan a mayores zonas geográficas en términos de huecos de tensión. Con esta información la planificación del sistema tiene otra herramienta para tomar decisiones técnico-económicas que ayuden al correcto desarrollo del sistema eléctrico.