Mi a FACTS és miért szükségesek a villamos rendszerekben?

A FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) egy villamosenergia-elektronikai alapú rendszer, amely statikus eszközöket használ az AC átviteli hálózatok energiaátviteli képességének és irányíthatóságának növelésére.

Ezek a villamosenergia-elektronikai eszközök beillesztésre kerülnek a hagyományos AC hálózatokba, hogy a következő kulcsfontosságú teljesítmény-mutatókat javítsák:

• Az átviteli vonalak energiaátviteli kapacitása

• Feszültségstabilitás és átmeneti stabilitás

• A feszültség szabályozásának pontossága

• A rendszer megbízhatósága

• Az átviteli infrastruktúra hőmérsékleti korlátai

A villamosenergia-elektronikai kapcsolók megjelenése előtt reaktív erő-kiegyensúlyozási és stabilitási problémákat mechanikus kapcsolókkal oldottak meg, amelyek kondenzátorokat, reaktorokat vagy szinkron generátort csatlakoztatottak. Azonban a mechanikus kapcsolóknak kritikus hátrányai voltak: lassú válaszidő, mechanikus súlyozódás és rossz megbízhatóság – ez korlátozta hatékonyságukat az átviteli vonalak irányíthatóságának és stabilitásának optimalizálásában.

A magfeszültségű villamosenergia-elektronikai kapcsolók (pl. thyristorok) fejlesztése lehetővé tette a FACTS vezérlők létrehozását, ami forradalmian változtatta az AC hálózatok kezelését.

Miért szükségesek a FACTS eszközök a villamosenergia-rendszerekben?

Egy stabil villamosenergia-rendszer pontos koordinációt igényel a termelés és a kereslet között. Ahogy a villamosenergia-igény növekszik, minden hálózati komponens hatékonyságának maximalizálása elengedhetetlen lesz – és a FACTS eszközök kulcsszerepet játszanak ebben az optimalizálásban.

A villamosenergiát három típusra osztják: aktív erő (hasznos/valódi erő végfelhasználásra), reaktív erő (az energia-tároló elemek okozzák a terhelésekben) és látszólagos erő (a aktív és reaktív erő vektorszumma). A reaktív erő, amely induktív vagy kapacitív lehet, egyensúlyban kell legyen, hogy ne folyjon át az átviteli vonalakon – a nem irányított reaktív erő csökkenti a hálózat aktív erő átviteli kapacitását.

A kompenzációs technikák (az induktív és kapacitív reaktív erő egyensúlyozása annak biztosításával, hogy beszolgáltassák vagy felvegyék azt) tehát kritikus jelentőségűek. Ezek a technikák javítják az energia minőségét és növelik az átviteli hatékonyságot.

Kompenzációs technikák típusai

A kompenzációs technikák az eszközök ahhoz, hogyan csatlakoznak a villamosenergia-hálózathoz, alapján osztályozhatók:

1. Soros kompenzáció

A soros kompenzációban a FACTS eszközöket sorosan csatlakoztatják az átviteli hálózathoz. Ezek az eszközök általában változó impedanciákat (pl. kondenzátorok vagy induktorok) képviselnek, ahol a soros kondenzátorok a leggyakrabban használtak.

Ez a módszer széles körben használatos EHV (Extra High Voltage) és UHV (Ultra High Voltage) átviteli vonalakon, jelentősen javítva azok energiaátviteli képességét.

Egy átviteli vonal energiaátviteli kapacitása anélkül, hogy kompenzációs eszközt használnánk;

Ahol,

• V₁ = Küldő vége feszültség

• V₂ = Fogadó vége feszültség

• X_L = Az átviteli vonal induktív reaktanciaja

• δ = Fázisszög V₁ és V₂ között

• P = Átvitt erő fázisonként

Most kapcsolunk egy kondenzátort sorosan az átviteli vonallal. A kondenzátor kapacitív reaktanciája XC. Tehát a teljes reaktancia XL-XC. Így, a kompenzációs eszközzel a energiaátviteli kapacitás a következőképpen adódik:

A k tényezőt kompenzációs tényezőnek vagy kompenzációs foknak nevezik. Általában a k értéke 0,4 és 0,7 között van. Tegyük fel, hogy a k értéke 0,5.

Tehát nyilvánvaló, hogy a soros kompenzációs eszközök használata körülbelül 50%-kal növelheti az energiaátviteli kapacitást. Ha soros kondenzátorokat alkalmaznak, a feszültség és az áram közötti fázisszög (δ) kisebb, mint egy nem kompenzált vonalon. A kisebb δ érték javítja a rendszer stabilitását – azaz, ugyanazon az energiaátviteli mennyiségén és azonos küldő és fogadó vég paramétereknél, egy kompenzált vonal jelentősen jobb stabilitást kínál, mint egy nem kompenzált.

Párhuzamos kompenzáció

Egy nagy feszültségű átviteli vonalon a fogadó vége feszültségének mértéke attól függ, hogy milyen terhelési állapotban van. A kapacitanciának nagyon fontos szerepe van a nagy feszültségű átviteli vonalban.

Amikor egy átviteli vonal terhelt, a terhelés reaktív erőt igényel, amelyet kezdetben a vonal saját kapacitanciája szolgáltat. Azonban, ha a terhelés meghaladja a SIL (Surge Impedance Loading)-t, a növekedő reaktív erőigény jelentős feszültség-csökkenést okoz a fogadó végén.

Ennek megoldására kondenzátorbankokat kapcsolnak párhuzamosan az átviteli vonallal a fogadó végén. Ezek a bankok a szükséges további reaktív erőt szolgáltatják, hatékonyan enyhítve a fogadó végi feszültség-csökkenést.

A vonal kapacitanciának növekedése a fogadó végi feszültség emelkedését eredményezi.

Amikor egy átviteli vonal könnyen terhelt (azaz, a terhelés alatt van a SIL-nél), a reaktív erőigény alacsonyabb, mint a vonal kapacitanciája által generált reaktív erő. Ilyen esetben a fogadó végi feszültség magasabb, mint a küldő végi feszültség – ez a Ferranti effektus néven ismert jelenség.

Ennek megelőzésére reaktorokat kapcsolnak párhuzamosan az átviteli vonallal a fogadó végén. Ezek a reaktorok felveszik a vonalból származó túlzott reaktív erőt, így biztosítva, hogy a fogadó végi feszültség maradjon a normál értékén.