Mitä ovat FACTS ja miksi niitä tarvitaan sähköverkoissa

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) viittaa sähkötekniikkaan perustuvaan järjestelmään, joka käyttää staattisia laitteita parantamaan vaihtosähköverkkojen siirtokapasiteettia ja ohjaamiskykyä.

Nämä sähkötekniikan laitteet integroituvat perinteisiin vaihtosähköverkkoihin parantamaan avainteknometriikoita, mukaan lukien:

• Siirtolinjojen siirtokapasiteetti

• Jännitteen vakaus ja väliaikainen vakaus

• Jännitteen säätö tarkkuus

• Järjestelmän luotettavuus

• Siirtolinjan infrastruktuurin lämpörajoitukset

Ennen sähkötekniikan kytkentöjen kehittymistä reaktiivisen voiman epätasapainon ja vakauden ongelmat ratkaistiin mekaanisilla kytkimillä, jotka yhdistivät kondensaattoreita, reaktoreita tai synkronigeenereitä. Kuitenkin mekaaniset kytkimet olivat huomattavia haittapuolia: hitaasti vastaavan, mekaanisen kulun ja heikon luotettavuuden, mikä rajoitti niiden tehokkuutta siirtolinjan ohjaamiskyvyn ja vakauden optimoinnissa.

Korkeajännitteisten sähkötekniikan kytkentöjen (esim. thyristorit) kehitys mahdollisti FACTS-ohjainten luomisen, mikä vallankumousi vaihtosähköverkkohallinnan.

Miksi FACTS-laitteita tarvitaan sähköverkoissa?

Vakaassa sähköverkossa vaaditaan tarkkaa koordinointia tuotannon ja kysynnän välillä. Kun sähkönkulutus kasvaa, kaikkien verkon komponenttien tehokkuuden maksimointi on elintärkeää - ja FACTS-laitteet ovat keskeinen rooli tämän optimoinnin kannalta.

Sähkövoima jaetaan kolmeen ryhmään: aktiivivoima (käytetty/todellinen voima loppukäyttäjälle), reaktiivivoima (aiheutuu energian varastoavaimilta kuormilta) ja näennäisvoima (aktiivivoiman ja reaktiivivoiman vektoriesitys). Reaktiivivoima, joka voi olla induktiivista tai kapasitiivista, on tasapainotettava estääksensä sen kuljetumisen siirtolinjojen kautta - kontrolloimatonta reaktiivivoimaa vähentää verkoston aktiivivoiman siirtokapasiteetti.

Kompensaatiomenetelmät (tasapainottamaan induktiivista ja kapasitiivista reaktiivivoimaa toimittamalla tai absorboimalla sitä) ovat siksi kriittisiä. Nämä menetelmät parantavat sähkölaatua ja lisäävät siirtoeffektiivisyyttä.

Kompensaatiomenetelmien tyypit

Kompensaatiomenetelmiä luokitellaan sen mukaan, miten laitteet yhdistetään sähköverkkoon:

1. Sarjakompensaatio

Sarjakompensaatiossa FACTS-laitteet yhdistetään sarjassa siirtolinjan kanssa. Nämä laitteet toimivat usein muuttuvina impedansseina (esim. kondensaattoreina tai induktoreina), joista sarjakondensaattorit ovat yleisimmät.

Tämä menetelmä on laajalti käytössä EHV (erittäin korkea jännite) ja UHV (ultra korkea jännite) siirtolinjoissa merkittävästi parantamaan niiden siirtokapasiteettia.

Siirtolinjan siirtokapasiteetti ilman kompensaatiolaitetta;

Missä,

• V₁ = Lähetyspään jännite

• V₂ = Vastaanottajan pään jännite

• X_L = Siirtolinjan induktiivinen reaktanssi

• δ = Vaihekulma V₁ ja V₂ välillä

• P = Siirretty voima per vaihe

Yhdistämällä nyt kondensaattori sarjassa siirtolinjan kanssa. Tämän kondensaattorin kapasitiivinen reaktanssi on XC. Joten, kokonaismuuntaja on XL-XC. Niinpä, kompensaatiolaitteen avulla siirtokapasiteetti on annettu seuraavasti;

Faktori k tunnetaan kompensaatiokertoimena tai kompensaation asteena. Yleensä k:n arvo on välillä 0,4-0,7. Oletetaan, että k:n arvo on 0,5.

On siis ilmeistä, että sarjakompensaatiolaitteiden käyttö voi lisätä siirtokapasiteettia noin 50%. Kun sarjakondensaattoreita käytetään, jännite ja virta välillä oleva vaihekulma (δ) on pienempi verrattuna kompensaatiota ei ole. Pienempi δ arvo parantaa järjestelmän vakautta - eli samalla siirrettävällä teholuovulla ja identtisillä lähetys- ja vastaanottopään parametreilla, kompensoitu linja tarjoaa huomattavasti paremman vakaudesta kuin kompensaatiota ei ole.

Rinnakkaiskompensaatio

Korkeajännitteisessä siirtolinjassa vastaanottajan pään jännitteen suuruus riippuu kuorman tilasta. Kapasiteetti on tärkeä rooli korkeajännitteisessä siirtolinjassa.

Kun siirtolinja on ladattu, kuorma vaatii reaktiivivoimaa, joka aluksi toimitetaan linjan sisäisen kapasiteetin kautta. Kuitenkin, kun kuorma ylittää SIL (Surge Impedance Loading):n, korkeampi reaktiivivoiman kysyntä johtaa merkittävään jännitetten pudotukseen vastaanottajan pään.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi kondensaattoripankit yhdistetään rinnakkaan siirtolinjan kanssa vastaanottajan pään. Nämä pankit toimittavat tarvittavan lisäreaktiivivoiman, mikä tehokkaasti lievittää jännitetten pudotusta vastaanottajan pään.

Linjan kapasiteetin lisääntyessä vastaanottajan pään jännite nousee.

Kun siirtolinja on kevyesti ladattu (eli kuorma on alle SIL), reaktiivivoiman kysyntä on pienempi kuin linjan kapasiteetin tuottama reaktiivivoima. Tässä skenaariossa vastaanottajan pään jännite on korkeampi kuin lähetyspään jännite - ilmiö tunnetaan Ferrantin vaikutuksena.

Tämän estämiseksi rinnakkaisreaktorit yhdistetään rinnakkaan siirtolinjan kanssa vastaanottajan pään. Nämä reaktorit imevät ylijäämäreaktiivivoiman linjasta, varmistamalla, että vastaanottajan pään jännite pysyy sen arvostettujen arvon.