Hvad er FACTS og hvorfor er de nødvendige i kraftsystemer

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) refererer til et system baseret på effektelektronik, der bruger statiske enheder til at forbedre overførselskapaciteten og kontrollabiliteten i AC-transmissionsnetværk.

Disse effektelektroniske enheder integreres i konventionelle AC-net for at forbedre nøgleydeprestationsmålinger, herunder:

• Overførselskapacitet af transmissionsledninger

• Spændingsstabilitet og midlertidig stabilitet

• Præcision i spændingsregulering

• Systemets pålidelighed

• Termiske grænser for transmissionsinfrastruktur

Før opkomsten af effektelektroniske skalter, blev problemer som reaktiv effektubalance og stabilitet håndteret ved hjælp af mekaniske skalter til at forbinder kondensatorer, reaktorer eller synchrone generatorer. Mekaniske skalter havde dog kritiske ulemper: langsomme reaktionsider, mekanisk slitage og dårlig pålidelighed – hvilket begrænsede deres effektivitet i forhold til at optimere transmissionsledningernes kontrollabilitet og stabilitet.

Udviklingen af højspændingselektroniske skalter (f.eks. thyristorer) gjorde det muligt at oprette FACTS-kontroller, hvilket revolutionerede styringen af AC-net.

Hvorfor er FACTS-enheder nødvendige i effektsystemer?

Et stabilt effektsystem kræver præcis koordinering mellem produktion og efterspørgsel. Når efterspørgslen på elektricitet vokser, bliver det essentielt at maksimere effektiviteten af alle netværkskomponenter – og FACTS-enheder spiller en nøglerolle i denne optimering.

Elektrisk effekt inddeles i tre typer: aktiv effekt (brugbar/egentlig effekt til slutbrug), reaktiv effekt (forårsaget af energilagrende elementer i laster) og apparant effekt (vektorsum af aktiv og reaktiv effekt). Den reaktive effekt, som kan være induktiv eller kapacitiv, skal være i balance for at forhindre, at den flyder gennem transmissionsledninger – ukontrolleret reaktiv effekt reducerer nettetværkets kapacitet til at overføre aktiv effekt.

Kompensationsteknikker (til at balancere induktiv og kapacitiv reaktiv effekt ved at levere eller absorbere den) er derfor kritiske. Disse teknikker forbedrer effektkvaliteten og øger transmissionseffektiviteten.

Typer af kompensationsteknikker

Kompensationsteknikker er klassificeret ud fra, hvordan enhederne er forbundet til effektsystemet:

1. Seriekompenation

I seriekompenation er FACTS-enheder forbundet i serie med transmissionsnetværket. Disse enheder fungerer typisk som variable impedanser (f.eks. kondensatorer eller induktorer), hvor seriekondensatorer er de mest almindelige.

Denne metode anvendes bredt i EHV (Extra High Voltage) og UHV (Ultra High Voltage) transmissionsledninger for at betydeligt forbedre deres overførselskapacitet.

Overførselskapaciteten af en transmissionsledning uden brug af kompensationsenhed;

Hvor,

• V₁ = afsendende endespænding

• V₂ = modtagende endespænding

• X_L = induktiv reaktance af transmissionsledningen

• δ = fasen mellem V₁ og V₂

• P = overført effekt pr. fase

Nu forbinder vi en kondensator i serie med transmissionsledningen. Den kapacitive reaktance af denne kondensator er XC. Så, den totale reaktance er XL-XC. Så, med en kompensationsenhed, er overførselskapaciteten givet ved;

Faktoren k kaldes kompensationsfaktor eller grad af kompensation. Generelt ligger værdien af k mellem 0,4 og 0,7. Lad os antage, at værdien af k er 0,5.

Det er derfor tydeligt, at brugen af seriekompensationsenheder kan øge overførselskapaciteten med ca. 50%. Når seriekondensatorer anvendes, er faserelationen (δ) mellem spænding og strøm mindre sammenlignet med en ukompenseret ledning. En mindre δ værdi forbedrer systemets stabilitet – det vil sige, for samme overførselsmængde og identiske afsendende og modtagende endeparametre, tilbyder en kompenseret ledning betydeligt bedre stabilitet end en ukompenseret.

Parallelkompenation

I en højspændings-transmissionsledning afhænger størrelsen af modtagende endespænding af belastningsbetingelsen. Kapacitansen spiller en vigtig rolle i højspændings-transmissionsledninger.

Når en transmissionsledning er belastet, kræver belastningen reaktiv effekt, som først leveres af ledningens inbyggede kapacitance. Når belastningen overstiger SIL (Surge Impedance Loading), fører den forhøjede reaktive effektbevægelse til en betydelig spændningsnedgang ved modtagende ende.

For at løse dette, forbinder man kondensatorbanker parallel med transmissionsledningen ved modtagende ende. Disse banker leverer den ekstra reaktive effekt, der behøves, og formindsker effektivt spændningsnedgangen ved modtagende ende.

En stigning i ledningskapacitance fører til en stigning i modtagende endespænding.

Når en transmissionsledning er let belastet (dvs. belastningen er under SIL), er reaktive effektbevægelsen lavere end den reaktive effekt, der genereres af ledningens kapacitance. I dette scenarie bliver modtagende endespændingen højere end afsendende endespænding – et fænomen kendt som Ferranti-effekten.

For at forhindre dette, forbinder man parallelreaktorer parallel med transmissionsledningen ved modtagende ende. Disse reaktorer absorberer den overskydende reaktive effekt fra ledningen, og sikrer, at modtagende endespændingen forbliver ved dens nominale værdi.