چه چیزی FACTS هستند و چرا در سیستم های قدرت نیاز است؟

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) به سیستم مبتنی بر الکترونیک قدرت اشاره دارد که از دستگاه‌های ثابت برای افزایش توان انتقال و قابلیت کنترل شبکه‌های انتقال جریان متناوب استفاده می‌کند.

این دستگاه‌های الکترونیک قدرت در شبکه‌های AC سنتی یکپارچه شده‌اند تا شاخص‌های عملکرد کلیدی، از جمله:

• ظرفیت انتقال توان خطوط انتقال

• پایداری ولتاژ و پایداری موقت

• دقیق‌سازی تنظیم ولتاژ

• قابلیت اطمینان سیستم

• حداکثر محدودیت‌های حرارتی زیرساخت‌های انتقال

قبل از ظهور سوئیچ‌های الکترونیک قدرت، مشکلاتی مانند عدم تعادل بین توان واکنشی و پایداری با استفاده از سوئیچ‌های مکانیکی برای اتصال خازنه‌ها، رآکتورها یا ژنراتورهای همزمان حل می‌شد. با این حال، سوئیچ‌های مکانیکی معایب مهمی داشتند: زمان پاسخ کند، سایش مکانیکی و قابلیت اطمینان ضعیف - که محدودیت‌های آن‌ها در بهینه‌سازی قابلیت کنترل و پایداری خطوط انتقال را محدود می‌کرد.

توسعه سوئیچ‌های الکترونیک قدرت با ولتاژ بالا (مثل تایریستورها) به ایجاد کنترل‌کننده‌های FACTS انجامید و مدیریت شبکه AC را انقلابی کرد.

چرا دستگاه‌های FACTS در سیستم‌های قدرت نیازمند هستند؟

یک سیستم قدرت پایدار نیازمند هماهنگی دقیق بین تولید و تقاضا است. با افزایش تقاضای برق، بهینه‌سازی کارایی تمامی مؤلفه‌های شبکه ضروری می‌شود - و دستگاه‌های FACTS نقش کلیدی در این بهینه‌سازی دارند.

قدرت الکتریکی به سه نوع تقسیم می‌شود: توان فعال (توان مفید/واقعی برای استفاده نهایی)، توان واکنشی (که توسط عناصر ذخیره‌کننده انرژی در بارها ایجاد می‌شود) و توان ظاهری (مجموع برداری توان فعال و واکنشی). توان واکنشی، که می‌تواند القایی یا خازنی باشد، باید متعادل شود تا از جریان آن از طریق خطوط انتقال جلوگیری شود - توان واکنشی بدون کنترل ظرفیت شبکه برای انتقال توان فعال را کاهش می‌دهد.

تکنیک‌های جبران (برای متعادل کردن توان واکنشی القایی و خازنی با تأمین یا جذب آن) بنابراین حیاتی هستند. این تکنیک‌ها کیفیت توان را بهبود می‌بخشند و کارایی انتقال را افزایش می‌دهند.

نوع‌های تکنیک‌های جبران

تکنیک‌های جبران بر اساس نحوه اتصال دستگاه‌ها به سیستم قدرت طبقه‌بندی می‌شوند:

1. جبران سری

در جبران سری، دستگاه‌های FACTS به صورت سری با شبکه انتقال اتصال می‌یابند. این دستگاه‌ها معمولاً به عنوان مقاومت‌های متغیر (مثل خازنه‌ها یا القایی‌ها) عمل می‌کنند، با خازنه‌های سری بیشترین استفاده را دارند.

این روش در خطوط انتقال EHV (Extra High Voltage) و UHV (Ultra High Voltage) برای بهبود قابلیت انتقال توان به طور چشمگیری استفاده می‌شود.

ظرفیت انتقال توان یک خط انتقال بدون استفاده از دستگاه جبران؛

که در آن،

• V₁ = ولتاژ سمت فرستنده

• V₂ = ولتاژ سمت گیرنده

• X_L = واکنش‌پذیری القایی خط انتقال

• δ = زاویه فازی بین V₁ و V₂

• P = توان انتقالی در هر فاز

حالا، یک خازن را به صورت سری با خط انتقال اتصال می‌دهیم. واکنش‌پذیری خازنی این خازن XC است. بنابراین، واکنش‌پذیری کل XL-XC است. پس، با دستگاه جبران، ظرفیت انتقال توان به صورت زیر است؛

عامل k به عنوان عامل جبران یا درجه جبران شناخته می‌شود. معمولاً مقدار k بین 0.4 تا 0.7 است. فرض کنیم مقدار k برابر 0.5 است.

بنابراین، واضح است که استفاده از دستگاه‌های جبران سری می‌تواند ظرفیت انتقال توان را تقریباً 50% افزایش دهد. وقتی خازنه‌های سری استفاده می‌شوند، زاویه فاز (δ) بین ولتاژ و جریان کوچک‌تر از یک خط غیرجبران‌شده است. یک مقدار δ کوچک‌تر پایداری سیستم را افزایش می‌دهد - به این معنا که، برای حجم یکسان انتقال توان و پارامترهای یکسان سمت فرستنده و گیرنده، یک خط جبران‌شده پایداری بهتری نسبت به یک خط غیرجبران‌شده ارائه می‌دهد.

جبران موازی

در یک خط انتقال با ولتاژ بالا، مقدار ولتاژ سمت گیرنده به شرایط بارگیری بستگی دارد. خازن در خط انتقال با ولتاژ بالا نقش مهمی ایفا می‌کند.

وقتی یک خط انتقال بارگیری می‌شود، بار نیاز به توان واکنشی دارد که ابتدا توسط خازن ذاتی خط تأمین می‌شود. با این حال، وقتی بار از SIL (Surge Impedance Loading) بیشتر می‌شود، تقاضای توان واکنشی بالا منجر به کاهش قابل توجه ولتاژ در سمت گیرنده می‌شود.

برای رفع این مشکل، بانک‌های خازن به صورت موازی با خط انتقال در سمت گیرنده اتصال می‌یابند. این بانک‌ها توان واکنشی اضافی لازم را تأمین می‌کنند و به طور موثری کاهش ولتاژ در سمت گیرنده را کاهش می‌دهند.

افزایش خازن خط منجر به افزایش ولتاژ سمت گیرنده می‌شود.

وقتی یک خط انتقال به طور کمی بارگیری می‌شود (یعنی بار کمتر از SIL است)، تقاضای توان واکنشی کمتر از توان واکنشی تولید شده توسط خازن خط است. در این سناریو، ولتاژ سمت گیرنده بالاتر از ولتاژ سمت فرستنده می‌شود - یک پدیده که به عنوان اثر فرانتی شناخته می‌شود.

برای جلوگیری از این، رآکتورهای موازی به صورت موازی با خط انتقال در سمت گیرنده اتصال می‌یابند. این رآکتورها توان واکنشی اضافی خط را جذب می‌کنند و مطمئن می‌شوند که ولتاژ سمت گیرنده در مقدار مورد نظر خود باقی بماند.