Что такое FACTS и почему они нужны в энергетических системах

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) — это система на основе силовой электроники, которая использует статические устройства для улучшения способности передачи мощности и управляемости сетей переменного тока.

Эти силовые электронные устройства интегрируются в традиционные сети переменного тока, чтобы повысить ключевые показатели производительности, включая:

• Способность передачи мощности по линиям передачи

• Устойчивость напряжения и переходная устойчивость

• Точность регулирования напряжения

• Надежность системы

• Тепловые ограничения передающей инфраструктуры

До появления силовых электронных переключателей проблемы, такие как дисбаланс реактивной мощности и устойчивость, решались с помощью механических переключателей, подключающих конденсаторы, реакторы или синхронные генераторы. Однако механические переключатели имели критические недостатки: медленное время отклика, механический износ и низкая надежность, что ограничивало их эффективность в оптимизации управляемости и устойчивости линий передачи.

Разработка высоковольтных силовых электронных переключателей (например, тиристоров) позволила создать контроллеры FACTS, революционизировав управление сетями переменного тока.

Почему нужны устройства FACTS в энергосистемах?

Стабильная энергетическая система требует точной координации между генерацией и спросом. По мере роста потребления электроэнергии становится необходимым максимизировать эффективность всех компонентов сети, и устройства FACTS играют ключевую роль в этой оптимизации.

Электрическая мощность подразделяется на три типа: активная мощность (полезная/настоящая мощность для конечного использования), реактивная мощность (вызываемая элементами хранения энергии в нагрузках) и полная мощность (векторная сумма активной и реактивной мощности). Реактивная мощность, которая может быть индуктивной или емкостной, должна быть сбалансирована, чтобы предотвратить ее поток через линии передачи — неконтролируемая реактивная мощность снижает способность сети передавать активную мощность.

Методы компенсации (для балансировки индуктивной и емкостной реактивной мощности путем ее подачи или поглощения) поэтому критически важны. Эти методы улучшают качество питания и повышают эффективность передачи.

Типы методов компенсации

Методы компенсации классифицируются в зависимости от того, как устройства подключены к энергосистеме:

1. Сериальная компенсация

В сериальной компенсации устройства FACTS подключаются последовательно с сетью передачи. Эти устройства обычно действуют как переменные импедансы (например, конденсаторы или индуктивности), при этом наиболее распространенными являются сериальные конденсаторы.

Этот метод широко используется на ВОЛ (очень высоковольтных) и УВОЛ (ультравысоковольтных) линиях передачи, чтобы значительно улучшить их способность передачи мощности.

Способность передачи мощности линии передачи без использования компенсационного устройства;

Где,

• V₁ = Напряжение на отправляющем конце

• V₂ = Напряжение на принимающем конце

• X_L = Индуктивное сопротивление линии передачи

• δ = Фазовый угол между V₁ и V₂

• P = Передаваемая мощность на фазу

Теперь мы подключаем конденсатор последовательно с линией передачи. Емкостное сопротивление этого конденсатора — XC. Таким образом, общее сопротивление — XL-XC. Следовательно, с компенсационным устройством способность передачи мощности выражается формулой;

Коэффициент k известен как коэффициент компенсации или степень компенсации. Обычно значение k находится в диапазоне от 0,4 до 0,7. Допустим, значение k равно 0,5.

Таким образом, очевидно, что использование сериальных компенсационных устройств может увеличить способность передачи мощности примерно на 50%. Когда используются сериальные конденсаторы, фазовый угол (δ) между напряжением и током меньше, чем у некомпенсированной линии. Меньшее значение δ улучшает устойчивость системы, то есть при одинаковом объеме передаваемой мощности и идентичных параметрах отправляющего и принимающего концов, компенсированная линия обеспечивает значительно лучшую устойчивость, чем некомпенсированная.

Шунтовая компенсация

На высоковольтной линии передачи величина напряжения на принимающем конце зависит от режима загрузки. Емкость играет важную роль в высоковольтной линии передачи.

Когда линия передачи загружена, нагрузка требует реактивной мощности, которая изначально поставляется собственной емкостью линии. Однако, когда нагрузка превышает SIL (нагрузку на волновое сопротивление), повышенный спрос на реактивную мощность приводит к значительному падению напряжения на принимающем конце.

Чтобы решить эту проблему, банки конденсаторов подключаются параллельно к линии передачи на принимающем конце. Эти банки поставляют дополнительную реактивную мощность, эффективно смягчая падение напряжения на принимающем конце.

Увеличение емкости линии приводит к повышению напряжения на принимающем конце.

Когда линия передачи слабо загружена (то есть нагрузка ниже SIL), спрос на реактивную мощность ниже, чем реактивная мощность, генерируемая емкостью линии. В этом случае напряжение на принимающем конце становится выше, чем на отправляющем конце — явление, известное как эффект Ферранти.

Чтобы предотвратить это, шунтовые реакторы подключаются параллельно к линии передачи на принимающем конце. Эти реакторы поглощают избыточную реактивную мощность, обеспечивая, чтобы напряжение на принимающем конце оставалось на его номинальном уровне.