Co jsou FACTS a proč jsou v elektrických systémech potřebné
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) je systém založený na elektronice pro vysoké napětí, který používá statické zařízení k zlepšení schopnosti přenosu energie a kontrolovatelnosti síťových AC přenosových sítí.
Tyto elektronické zařízení jsou integrovány do tradičních AC sítí, aby byly zvýšeny klíčové výkonnostní ukazatele, včetně:
Před vznikem elektronických spínačů pro vysoké napětí se problémy jako nerovnováha reaktivního výkonu a stabilita řešily pomocí mechanických spínačů, které spojovaly kondenzátory, reaktory nebo synchronní generátory. Nicméně, mechanické spínače měly zásadní nedostatky: pomalé časové odpovědi, mechanické opotřebení a nízkou spolehlivost – což omezilo jejich efektivitu při optimalizaci kontrolovatelnosti a stability přenosových linek.
Vývoj vysokonapěťových elektronických spínačů (např. thyristorů) umožnil vytvoření FACTS kontrolérů, což revolučně změnilo správu AC sítí.
Proč jsou potřebné FACTS zařízení v elektrických systémech?
Stabilní elektrický systém vyžaduje přesné koordinace mezi produkční a spotřební stranou. S rostoucí poptávkou po elektrické energii se stává zásadní maximalizace efektivity všech síťových komponent – a FACTS zařízení hrají v této optimalizaci klíčovou roli.
Elektrický výkon se dělí do tří typů: aktivní výkon (užitečný/pravý výkon pro konečné využití), reaktivní výkon (způsobený úložnými prvky v zatěžovacích jednotkách) a zdánlivý výkon (vektorový součet aktivního a reaktivního výkonu). Reactivní výkon, který může být induktivní nebo kapacitivní, musí být vyvážen, aby nedocházelo k jeho nekontrolovanému průtoku přes přenosové linky – nekontrolovaný reaktivní výkon snižuje síťovou kapacitu k přenosu aktivního výkonu.
Techniky kompenzace (pro vyvážení induktivního a kapacitivního reaktivního výkonu poskytováním nebo absorpcí tohoto výkonu) jsou proto klíčové. Tyto techniky zlepšují kvalitu energie a zvyšují efektivitu přenosu.
Typy kompenzačních technik
Kompenzační techniky jsou klasifikovány podle toho, jak jsou zařízení připojená k elektrickému systému:
1. Seriální kompenzace
Při seriální kompenzaci jsou FACTS zařízení připojena v sérii s přenosovou sítí. Tato zařízení obvykle fungují jako proměnné impedancí (např. kondenzátory nebo cívek), s sériovými kondenzátory jako nejčastější.
Tento postup se široce používá v EHV (Extra High Voltage) a UHV (Ultra High Voltage) přenosových linech k výraznému zlepšení jejich přenosové kapacity.
Přenosová kapacita přenosové linky bez použití kompenzačního zařízení;
Kde,
V1 = Napětí na vysílacím konci
V2 = Napětí na přijímacím konci
XL = Indukční reaktance přenosové linky
δ = Fázový úhel mezi V1 a V2
P = Přenesený výkon na fázi
Nyní připojíme kondenzátor v sérii s přenosovou linkou. Kondenzátor má kapacitivní reaktanci XC. Celková reaktance je tedy XL-XC. Takže s kompenzačním zařízením je přenosová kapacita dána vztahem;
Faktor k je známý jako faktor kompenzace nebo stupeň kompenzace. Obvykle se hodnota k pohybuje mezi 0,4 a 0,7. Předpokládejme, že hodnota k je 0,5.
Je tedy zřejmé, že použití sériových kompenzačních zařízení může zvýšit přenosovou kapacitu přibližně o 50 %. Když jsou použity sériové kondenzátory, je fázový úhel (δ) mezi napětím a proudem menší než u nekompenzované linky. Menší hodnota δ zlepšuje stabilitu systému – to znamená, že pro stejný objem přenosu a identické parametry na vysílacím a přijímacím konci, kompenzovaná linka nabízí výrazně lepší stabilitu než nekompenzovaná.
Paralelní kompenzace
V přenosové lince vysokého napětí závisí velikost napětí na přijímacím konci na zatěžovacím stavu. Kapacitance hraje v přenosové lince vysokého napětí klíčovou roli.
Když je přenosová linka zatěžována, zatěž vyžaduje reaktivní výkon, který je nejprve poskytnut vlastní kapacitancí linky. Pokud však zatěž překročí SIL (Surge Impedance Loading), zvýšená poptávka po reaktivním výkonu vedoucí k výraznému poklesu napětí na přijímacím konci.
Pro řešení tohoto problému jsou na přijímacím konci připojeny banky kondenzátorů paralelně s přenosovou linkou. Tyto banky poskytují dodatečný reaktivní výkon, který efektivně odstraňuje pokles napětí na přijímacím konci.
Zvýšení kapacitance linky vede ke zvýšení napětí na přijímacím konci.
Když je přenosová linka lehce zatěžována (tj. zatěž je nižší než SIL), je poptávka po reaktivním výkonu nižší než reaktivní výkon generovaný kapacitancí linky. V tomto scénáři je napětí na přijímacím konci vyšší než napětí na vysílacím konci – tento jev je znám jako Ferrantiho efekt.
Pro prevenci tohoto jevu jsou na přijímacím konci připojeny paralelně s přenosovou linkou reaktory. Tyto reaktory absorbují nadbytečný reaktivní výkon z linky, což zajišťuje, že napětí na přijímacím konci zůstane na své nominální hodnotě.
