Was sind FACTS und warum werden sie in elektrischen Netzen benötigt

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) bezieht sich auf ein leistungselektronikbasiertes System, das statische Geräte verwendet, um die Leistungsübertragungsfähigkeit und Steuerbarkeit von Wechselstrom-Übertragungsnetzen zu verbessern.

Diese leistungselektronischen Geräte werden in konventionelle Wechselstromnetze integriert, um wichtige Leistungsindikatoren zu steigern, darunter:

• Leistungsübertragungskapazität von Übertragungsleitungen

• Spannungsstabilität und Transientstabilität

• Genauigkeit der Spannungsregelung

• Systemzuverlässigkeit

• Thermische Grenzwerte der Übertragungsinfrastruktur

Vor der Entwicklung von leistungselektronischen Schaltern wurden Probleme wie reaktive Leistungsumbilanz und Stabilität durch mechanische Schalter gelöst, die Kondensatoren, Drosseln oder Synchronmaschinen verbanden. Mechanische Schalter hatten jedoch entscheidende Nachteile: langsame Reaktionszeiten, mechanischer Verschleiß und geringe Zuverlässigkeit – was ihre Effektivität bei der Optimierung der Steuerbarkeit und Stabilität von Übertragungsleitungen einschränkte.

Die Entwicklung von Hochspannung-leistungselektronischen Schaltern (z.B. Thyristoren) ermöglichte die Erstellung von FACTS-Reglern und revolutionierte die Verwaltung von Wechselstromnetzen.

Warum sind FACTS-Geräte in Energiesystemen notwendig?

Ein stabiles Energiesystem erfordert eine präzise Abstimmung zwischen Erzeugung und Nachfrage. Mit dem Wachstum des Strombedarfs wird es unerlässlich, die Effizienz aller Netzkomponenten zu maximieren – und FACTS-Geräte spielen dabei eine Schlüsselrolle.

Elektrische Energie wird in drei Arten unterteilt: aktive Leistung (nutzbare/wirkliche Leistung für den Endverbrauch), reaktive Leistung (verursacht durch energie speichernde Elemente in Lasten) und Scheinleistung (Vektorsumme aus aktiver und reaktiver Leistung). Die reaktive Leistung, die induktiv oder kapazitiv sein kann, muss ausgeglichen werden, um ihren ungekontrollierten Fluss durch Übertragungsleitungen zu verhindern – ungekontrollierte reaktive Leistung reduziert die Fähigkeit des Netzes, aktive Leistung zu übertragen.

Kompensationstechniken (zur Ausbalancierung von induktiver und kapazitiver reaktiver Leistung durch deren Bereitstellung oder Absorption) sind daher entscheidend. Diese Techniken verbessern die Leistungsgüte und erhöhen die Übertragungseffizienz.

Arten von Kompensationstechniken

Kompensationstechniken werden nach der Art der Verbindung der Geräte zum Energiesystem klassifiziert:

1. Serielle Kompensation

Bei serieller Kompensation werden FACTS-Geräte in Serie mit dem Übertragungsnetzwerk verbunden. Diese Geräte wirken in der Regel als variable Impedanzen (z.B. Kondensatoren oder Drosseln), wobei serienverbundene Kondensatoren am häufigsten vorkommen.

Diese Methode wird weit verbreitet in EHV (Extra High Voltage) und UHV (Ultra High Voltage) Übertragungsleitungen eingesetzt, um deren Leistungsübertragungsfähigkeit erheblich zu verbessern.

Die Leistungsübertragungskapazität einer Übertragungsleitung ohne Verwendung eines Kompensationssystems;

Wobei,

• V₁ = Senderspannung

• V₂ = Empfängerspannung

• X_L = Induktive Blindwiderstand der Übertragungsleitung

• δ = Phasenwinkel zwischen V₁ und V₂

• P = Übertragene Leistung pro Phase

Nun verbinden wir einen Kondensator in Serie mit der Übertragungsleitung. Der kapazitive Blindwiderstand dieses Kondensators ist XC. Daher beträgt die Gesamtimpedanz XL-XC. Mit einem Kompensationssystem wird die Leistungsübertragungskapazität wie folgt angegeben;

Der Faktor k wird als Kompensationsfaktor oder Kompensationsgrad bezeichnet. Im Allgemeinen liegt der Wert von k zwischen 0,4 und 0,7. Nehmen wir an, der Wert von k beträgt 0,5.

Es ist offensichtlich, dass die Verwendung von seriellen Kompensationssystemen die Leistungsübertragungskapazität um etwa 50% erhöhen kann. Bei der Verwendung von seriellen Kondensatoren ist der Phasenwinkel (δ) zwischen Spannung und Strom im Vergleich zu einer unkompenzierten Leitung kleiner. Ein kleinerer δ-Wert verbessert die Systemstabilität – bedeutet, dass für die gleiche Leistungsübertragungsmenge und identische Sender- und Empfängerparameter eine kompensierte Leitung signifikant bessere Stabilität bietet als eine unkompenzierte.

Parallelkompensation

In einer Hochspannungsübertragungsleitung hängt die Größe der Empfängerspannung von der Belastung ab. Die Kapazität spielt in der Hochspannungsübertragungsleitung eine wichtige Rolle.

Wenn eine Übertragungsleitung belastet wird, benötigt die Last reaktive Leistung, die zunächst durch die inhärente Kapazität der Leitung bereitgestellt wird. Wenn die Last jedoch die SIL (Surge Impedance Loading) überschreitet, führt der erhöhte Bedarf an reaktiver Leistung zu einem erheblichen Spannungsabfall am Empfängerende.

Um dies zu beheben, werden Kondensatorbänke parallel zur Übertragungsleitung am Empfängerende angeschlossen. Diese Bänke liefern die zusätzliche reaktive Leistung, die erforderlich ist, und mindern effektiv den Spannungsabfall am Empfängerende.

Eine Erhöhung der Leitungskapazität führt zu einem Anstieg der Empfängerspannung.

Wenn eine Übertragungsleitung leicht belastet ist (d.h. die Last liegt unterhalb der SIL), ist der Bedarf an reaktiver Leistung geringer als die durch die Leitungskapazität erzeugte reaktive Leistung. In diesem Szenario wird die Empfängerspannung höher als die Senderspannung – ein Phänomen, das als Ferranti-Effekt bekannt ist.

Um dies zu verhindern, werden Parallelreaktoren parallel zur Übertragungsleitung am Empfängerende angeschlossen. Diese Reaktoren absorbieren die überschüssige reaktive Leistung aus der Leitung und sorgen dafür, dass die Empfängerspannung ihren Nennwert behält.