Cosa sono i FACTS e perché sono necessari nei sistemi elettrici
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) si riferisce a un sistema basato su elettronica di potenza che utilizza dispositivi statici per migliorare la capacità di trasferimento di potenza e la controllabilità delle reti di trasmissione in corrente alternata.
Questi dispositivi elettronici di potenza sono integrati nelle reti AC tradizionali per migliorare i principali indicatori di prestazione, tra cui:
Prima dell'avvento degli interruttori elettronici di potenza, problemi come l' squilibrio di potenza reattiva e la stabilità erano affrontati utilizzando interruttori meccanici per connettere condensatori, reattori o generatori sincroni. Tuttavia, gli interruttori meccanici presentavano svantaggi critici: tempi di risposta lenti, usura meccanica e scarsa affidabilità, limitando la loro efficacia nell'ottimizzare la controllabilità e la stabilità delle linee di trasmissione.
Lo sviluppo di interruttori elettronici di alta tensione (ad esempio, tiristori) ha permesso la creazione di controller FACTS, rivoluzionando la gestione delle reti AC.
Perché sono necessari i dispositivi FACTS nei sistemi di potenza?
Un sistema di potenza stabile richiede una coordinazione precisa tra generazione e domanda. Con l'aumento della domanda di elettricità, massimizzare l'efficienza di tutti i componenti della rete diventa essenziale, e i dispositivi FACTS svolgono un ruolo chiave in questa ottimizzazione.
Il potere elettrico è categorizzato in tre tipi: potenza attiva (potenza utile/vera per l'uso finale), potenza reattiva (causata da elementi di accumulo di energia nei carichi) e potenza apparente (somma vettoriale di potenza attiva e reattiva). La potenza reattiva, che può essere induttiva o capacitiva, deve essere bilanciata per prevenire il suo flusso attraverso le linee di trasmissione - la potenza reattiva non controllata riduce la capacità della rete di trasmettere potenza attiva.
Le tecniche di compensazione (per bilanciare la potenza reattiva induttiva e capacitiva fornendo o assorbendola) sono quindi critiche. Queste tecniche migliorano la qualità del potere e aumentano l'efficienza di trasmissione.
Tipi di tecniche di compensazione
Le tecniche di compensazione sono classificate in base al modo in cui i dispositivi sono connessi al sistema di potenza:
1. Compensazione in serie
Nella compensazione in serie, i dispositivi FACTS sono connessi in serie con la rete di trasmissione. Questi dispositivi agiscono tipicamente come impedenze variabili (ad esempio, condensatori o induttori), con i condensatori in serie come i più comuni.
Questo metodo è ampiamente utilizzato in linee di trasmissione EHV (Extra High Voltage) e UHV (Ultra High Voltage) per migliorare significativamente la loro capacità di trasferimento di potenza.
La capacità di trasferimento di potenza di una linea di trasmissione senza l'uso di un dispositivo di compensazione;
Dove,
V1 = Tensione all'estremità di invio
V2 = Tensione all'estremità di ricezione
XL = Reattanza induttiva della linea di trasmissione
δ = Angolo di fase tra V1 e V2
P = Potenza trasferita per fase
Ora, connettiamo un condensatore in serie con la linea di trasmissione. La reattanza capacitiva di questo condensatore è XC. Quindi, la reattanza totale è XL-XC. Quindi, con un dispositivo di compensazione, la capacità di trasferimento di potenza è data da;
Il fattore k è noto come fattore di compensazione o grado di compensazione. In genere, il valore di k varia tra 0,4 e 0,7. Supponiamo che il valore di k sia 0,5.
È evidente quindi che l'utilizzo di dispositivi di compensazione in serie può aumentare la capacità di trasferimento di potenza di circa il 50%. Quando vengono utilizzati condensatori in serie, l'angolo di fase (δ) tra tensione e corrente è minore rispetto a una linea non compensata. Un valore di δ inferiore migliora la stabilità del sistema, il che significa che, per lo stesso volume di trasferimento di potenza e parametri identici all'estremità di invio e di ricezione, una linea compensata offre una stabilità significativamente migliore rispetto a una non compensata.
Compensazione shunt
In una linea di trasmissione ad alta tensione, l'entità della tensione all'estremità di ricezione dipende dalle condizioni di carico. La capacità svolge un ruolo importante nella linea di trasmissione ad alta tensione.
Quando una linea di trasmissione è caricata, il carico richiede potenza reattiva, che inizialmente è fornita dalla capacità intrinseca della linea. Tuttavia, quando il carico supera il SIL (Surge Impedance Loading), l'aumento della richiesta di potenza reattiva porta a un significativo calo di tensione all'estremità di ricezione.
Per risolvere questo problema, banchi di condensatori sono connessi in parallelo con la linea di trasmissione all'estremità di ricezione. Questi banchi forniscono la potenza reattiva aggiuntiva necessaria, mitigando effettivamente il calo di tensione all'estremità di ricezione.
Un aumento della capacità della linea porta a un aumento della tensione all'estremità di ricezione.
Quando una linea di trasmissione è leggermente caricata (cioè, il carico è inferiore al SIL), la richiesta di potenza reattiva è inferiore alla potenza reattiva generata dalla capacità della linea. In questo scenario, la tensione all'estremità di ricezione diventa maggiore della tensione all'estremità di invio - un fenomeno noto come effetto Ferranti.
Per prevenirlo, reattori shunt sono connessi in parallelo con la linea di trasmissione all'estremità di ricezione. Questi reattori assorbono la potenza reattiva eccedente dalla linea, assicurando che la tensione all'estremità di ricezione rimanga al suo valore nominale.
