Co to są FACTS i dlaczego są potrzebne w systemach energetycznych

FATS (Flexible Alternating Current Transmission System) to system oparty na elektronice przemysłowej, który wykorzystuje statyczne urządzenia do zwiększenia zdolności transmisji i sterowalności sieci przesyłowych prądu przemiennego.

Te urządzenia elektroniczne są integrowane w tradycyjne sieci AC, aby poprawić kluczowe wskaźniki wydajności, w tym:

• Zdolność transmisyjna linii przesyłowych

• Stabilność napięcia i stabilność przejściowa

• Dokładność regulacji napięcia

• Niezawodność systemu

• Granice termiczne infrastruktury przesyłowej

Przed pojawieniem się przekлючników elektronicznych, problemy takie jak nierównowaga mocy biernych i stabilność były rozwiązywane za pomocą przekлючników mechanicznych do podłączania kondensatorów, reaktorów lub synchronicznych generatorów. Jednak przekлючniki mechaniczne miały krytyczne wady: długie czasy odpowiedzi, zużycie mechaniczne i niska niezawodność – ograniczając ich skuteczność w optymalizacji sterowalności i stabilności linii przesyłowych.

Rozwój wysokonapięciowych przekлючników elektronicznych (np. tyrystorów) umożliwił stworzenie kontrolerów FACTS, rewolucjonizując zarządzanie sieciami AC.

Dlaczego urządzenia FACTS są potrzebne w systemach energetycznych?

Stabilny system energetyczny wymaga precyzyjnej koordynacji między generacją a popytem. W miarę wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną, maksymalizacja efektywności wszystkich elementów sieci staje się niezbędna – a urządzenia FACTS odgrywają kluczową rolę w tej optymalizacji.

Energia elektryczna jest podzielona na trzy rodzaje: moc czynna (przydatna/moc rzeczywista dla końcowego użytku), moc bierna (powodowana przez elementy magazynujące energię w obciążeniach) i moc pozorna (wektorowa suma mocy czynnej i biernych). Moc bierna, która może być indukcyjna lub pojemnościowa, musi być zbilansowana, aby zapobiec jej przepływowi przez linie przesyłowe – niekontrolowana moc bierna redukuje zdolność sieci do przesyłania mocy czynnej.

Techniki kompensacji (do bilansowania mocy biernych indukcyjnych i pojemnościowych przez dostarczanie lub absorpcję) są zatem kluczowe. Te techniki poprawiają jakość energii i zwiększają efektywność przesyłu.

Rodzaje technik kompensacji

Techniki kompensacji są klasyfikowane według sposobu podłączenia urządzeń do systemu energetycznego:

1. Kompensacja szeregowa

W kompensacji szeregowej, urządzenia FACTS są podłączone szeregowo do sieci przesyłowej. Te urządzenia zwykle działają jako zmienna impedancja (np. kondensatory lub induktory), gdzie najpopularniejsze są kondensatory szeregowe.

Ta metoda jest szeroko stosowana w liniach przesyłowych EHV (Extra High Voltage) i UHV (Ultra High Voltage), aby znacząco poprawić ich zdolność transmisyjną.

Zdolność transmisyjna linii przesyłowej bez użycia urządzenia kompensacyjnego;

Gdzie,

• V₁ = Napięcie końcowe nadawcy

• V₂ = Napięcie końcowe odbiorcy

• X_L = Reaktywne opory linii przesyłowej

• δ = Faza między V₁ i V₂

• P = Przekazywana moc na fazę

Teraz podłączamy kondensator szeregowo z linią przesyłową. Reaktywne opory tego kondensatora to XC. Zatem całkowite reaktywne opory to XL-XC. Więc, z urządzeniem kompensacyjnym, zdolność transmisyjna wynosi;

Współczynnik k jest znany jako współczynnik kompensacji lub stopień kompensacji. Zwykle wartość k mieści się w zakresie 0,4 do 0,7. Załóżmy, że wartość k wynosi 0,5.

Jest więc oczywiste, że użycie urządzeń kompensacji szeregowej może zwiększyć zdolność transmisyjną o około 50%. Gdy stosowane są kondensatory szeregowe, faza (δ) między napięciem i prądem jest mniejsza w porównaniu do linii niekompenso-wanych. Mniejsza wartość δ zwiększa stabilność systemu – co oznacza, że dla tej samej objętości przesyłanej mocy i identycznych parametrów końcowych nadawcy i odbiorcy, linia kompensowana oferuje znacznie lepszą stabilność niż linia niekompenso-wana.

Kompensacja boczna

W wysokonapięciowej linii przesyłowej, wielkość napięcia końcowego odbiorcy zależy od warunków obciążenia. Pojemność odgrywa ważną rolę w wysokonapięciowych liniach przesyłowych.

Gdy linia przesyłowa jest obciążona, obciążenie wymaga mocy biernych, które początkowo są dostarczane przez naturalną pojemność linii. Jednak, gdy obciążenie przekracza SIL (Surge Impedance Loading), zwiększone wymagania dotyczące mocy biernych prowadzą do istotnego spadku napięcia na końcu odbiorczym.

Aby to rozwiązać, banki kondensatorów są podłączone równolegle do linii przesyłowej na końcu odbiorczym. Te banki dostarczają dodatkowej mocy biernych, skutecznie łagodząc spadek napięcia na końcu odbiorczym.

Zwiększenie pojemności linii prowadzi do wzrostu napięcia na końcu odbiorczym.

Gdy linia przesyłowa jest słabo obciążona (tj. obciążenie jest poniżej SIL), wymagania dotyczące mocy biernych są niższe niż moc bierna generowana przez pojemność linii. W tym scenariuszu, napięcie na końcu odbiorczym staje się wyższe niż napięcie na końcu nadawczym – zjawisko znane jako efekt Ferrantiego.

Aby temu zapobiec, reaktory boczne są podłączone równolegle do linii przesyłowej na końcu odbiorczym. Te reaktory absorbują nadmiar mocy biernych z linii, zapewniając, że napięcie na końcu odbiorczym pozostaje na jego nominalnej wartości.