چیست FACTS و چرا در سیستمهای برق 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 متعارف یکپارچه شدهاند تا معیارهای عملکرد کلیدی زیر را افزایش دهند:
قبل از ظهور کلیدهای الکترونیک قدرت، مشکلاتی مانند عدم تعادل بین توان راکتیو و پایداری با استفاده از کلیدهای مکانیکی برای اتصال خازنهها، رآکتورها یا ژنراتورهای همزمان حل میشد. با این حال، کلیدهای مکانیکی نقاط ضعف حیاتی داشتند: زمان پاسخ دهی کند، فرسودگی مکانیکی و قابلیت اطمینان ضعیف—که موثر بودن آنها در بهینهسازی قابلیت کنترل و پایداری خطوط انتقال را محدود میکرد.
توسعه کلیدهای الکترونیک قدرت با ولتاژ بالا (مثل تایریستورها) به ایجاد کنترلکنندههای FACTS کمک کرد 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 مولفههای 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 راکتیو (به دلیل عناصر ذخیرهکننده انرژی در بارها) و توان ظاهری (جمع برداری توان فعال و راکتیو). توان راکتیو که میتواند القایی یا خازنی باشد، باید متعادل شود تا از جریان آن از طریق خطوط انتقال جلوگیری شود—توان راکتیو بدون کنترل ظرفیت شبکه برای انتقال توان فعال را کاهش میدهد.
تکنیکهای جبران (برای متعادل کردن توان راکتیو القایی و خازنی با تأمین یا جذب آن) بنابراین حیاتی هستند. این تکنیکها کیفیت توان را بهبود میبخشند و کارایی انتقال را افزایش میدهند.
نوع 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 متصل میشوند. این دستگاهها معمولاً به عنوان مقاومتهای متغیر (مثل خازنهها یا رآکتورها) عمل میکنند، که خازنهای سری رایجترین آنها هستند.
این روش در خطوط انتقال EHV (Extra High Voltage) و UHV (Ultra High Voltage) برای بهبود قابل توجه ظرفیت انتقال توان استفاده میشود.
ظرفیت انتقال توان یک خط انتقال بدون استفاده از دستگاه جبران؛
که در آن،
V1 = ولتاژ سمت فرستنده
V2 = ولتاژ سمت گیرنده
XL = واکنش 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 متصل میکنیم. واکنش خازنی این خازن XC است. بنابراین، واکنش کل XL-XC است. بنابراین، با یک دستگاه جبران، ظرفیت انتقال توان به صورت زیر محاسبه میشود؛
عامل k به عنوان عامل جبران یا درجه جبران شناخته میشود. معمولاً مقدار k بین 0.4 تا 0.7 قرار دارد. بیایید مقدار k را 0.5 فرض کنیم.
بنابراین، واضح است که استفاده از دستگاههای جبران سری میتواند ظرفیت انتقال توان را تقریباً 50% افزایش دهد. وقتی که خازنهای سری استفاده میشوند، زاویه فاز (δ) بین ولتاژ و جریان کوچکتر از یک خط بدون جبران است. مقدار کوچکتر δ پایداری سیستم را افزایش میدهد—به این معنی که برای حجم یکسان انتقال توان و پارامترهای یکسان سمت فرستنده و گیرنده، یک خط جبرانشده پایداری بهتری نسبت به یک خط بدون جبران ارائه میدهد.
جبران موازی
در یک خط انتقال ولتاژ بالا، مقدار ولتاژ سمت گیرنده به شرایط بارگیری بستگی دارد. خازنها نقش مهمی در خطوط انتقال ولتاژ بالا ایفا میکنند.
وقتی یک خط انتقال بار دارد، بار نیاز به توان راکتیو دارد که ابتدا توسط خازنهای ذاتی خط تأمین میشود. با این حال، وقتی بار از SIL (بارگیری موجوارهای) فراتر رود، نیاز بیشتر به توان راکتیو 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 متصل میشوند. این بانکها توان راکتیو اضافی لازم را تأمین میکنند و به طور موثر کاهش ولتاژ در سمت گیرنده را کاهش میدهند.
افزایش خازن خط منجر به افزایش ولتاژ سمت گیرنده میشود.
وقتی یک خط انتقال با بار کم (یعنی بار کمتر از SIL) بارگیری میشود، نیاز به توان راکتیو کمتر از توان راکتیو تولید شده توسط خازنهای خط است. در این سناریو، ولتاژ سمت گیرنده بالاتر از ولتاژ سمت فرستنده میشود—این پدیده به نام اثر فرانتی شناخته میشود.
برای جلوگیری از این امر، رآکتورهای موازی به صورت موازی با خط انتقال در سمت گیرنده متصل میشوند. این رآکتورها توان راکتیو اضافی را از خط جذب میکنند و مطمئن میشوند که ولتاژ سمت گیرنده در مقدار اسمی خود باقی بماند.
